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UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁPR

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ

CAMPUS DE CURITIBA

GERÊNCIA DE PESQUISA E PÓS-GRADUAÇÃO

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA

E DE MATERIAIS - PPGEM

MARLON WESLEY MACHADO CUNICO

ESTUDO DE VIABILIDADE DE TECNOLOGIA DE PROTOTIPAGEM RÁPIDA BASEADA EM MATERIAIS

FOTOPOLIMÉRICOS EXTRUDADOS

CURITIBA

DEZ - 2008

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ESTUDO DE VIABILIDADE DE TECNOLOGIA DE

PROTOTIPAGEM RÁPIDA BASEADA EM MATERIAIS


Dissertação apresentada como requisito parcial à obtenção do título de Mestre em Engenharia, do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica e de Materiais, Área de Concentração em Engenharia de Manufatura, do Gerência de Pesquisa e Pós-Graduação, do Campus de Curitiba, da UTFPR.

Orientador: Prof. Neri Volpato, Ph.D.

CURITIBA

DEZEMBRO – 2008

TERMO DE APROVAÇÃO


ESTUDO DE VIABILIDADE DE TECNOLOGIA DE PROTOTIPAGEM RÁPIDA BASEADA EM MATERIAIS


Esta Dissertação foi julgada para a obtenção do título de mestre em engenharia, área de concentração em engenharia de manufatura, e aprovada em sua forma final pelo Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica e de Materiais.

_________________________________ Prof. Giuseppe Pintaúde, D.Sc.

Coordenador de Curso

Banca Examinadora

______________________________ ______________________________ Prof. Neri Volpato, Ph.D. Prof. Jonas de Carvalho, Ph.D. (UTFPR) (EESC-USP)

______________________________ ______________________________ Prof. José Aguiomar Foggiatto, Dr. Eng Prof. Carlos Marcus Gomes da Silva

Cruz, D.Sc. (UTFPR) (UTFPR)

Curitiba, 02 de fevereiro de 2009

iii

Dedicatória À minha querida e amada noiva Jennifer,

pelo amor, carinho, paciência e dedicação, apoiando e incentivando ao longo deste trabalho

Aos meus pais, Edimar e Miriam sempre presentes com muito amor.

Ao meu irmão Malton e familiares, pelas palavras de apoio e de companheirismo.

iv

AGRADECIMENTOS

A Deus, que em sua infinda bondade, forneceu forças e manteve minha mente aberta

para a realização deste trabalho. Aos meus colegas, pelo grande apoio e suporte. À minha

família pelas palavras de conforto e incentivo. À minha noiva pelo carinho, amor e suporte

nos momentos difíceis.

Ao meu orientador pelos conselhos e críticas construtivas, que me conduziu à

realização deste trabalho, conseqüentemente à obtenção de título de Mestre em Engenharia

pela Universidade Tecnológica Federal do Paraná.

Aos professores Sônia Faria Zawadizk e Carlos Marcus Gomes da Silva Cruz, que me

orientaram no decorrer deste trabalho, auxiliando tecnicamente a fim de alcançar os

objetivos planejados.

À Universidade Tecnológica Federal do Paraná, que, através de seus professores

laboratórios e programas de pesquisa, proporcionou condições para a realização deste

trabalho.

A todos, que direta ou indiretamente contribuíram para o desenvolvimento deste

trabalho.

Deus abençoe a todos.

v

"A falsa ciência gera ateus; a verdadeira

ciência leva os homens a se curvarem diante

da divindade."

Voltaire

vi

CUNICO, Marlon Wesley Machado, Estudo de Viabilidade de Tecnologia de Prototipagem Rápida Baseada em Materiais Fotopoliméricos Extrudados, 2009,

Dissertação (Mestrado em Engenharia) - Programa de Pós-graduação em

Engenharia Mecânica e de Materiais, Universidade Tecnológica Federal do Paraná,

Curitiba, 204p.

RESUMO

Em função do aumento da exigência dos consumidores, as empresas são

obrigadas a dimunuir o tempo de desenvolvimento de produtos assim como reduzir

custos criando valor agregado a seus produtos. Para realizar estas mudanças foram

desenvolvidas diversas soluções, sendo que uma delas é a prototipagem rápida.

Embora a utilização desta tecnologia tenha aumentando nos últimos anos, não

existe fabricante nacional. Em função desta carência, o objetivo deste trabalho é

iniciar o desenvolvimento de uma tecnologia nacional, realizando estudos de

viabilidade da proposta apresentada neste trabalho. Para realização destes, foram

estudados materiais fotopoliméricos e tecnologias de prototipagem rápida. Através

destes, foram encontradas características de fotopolímeros e métodos de

caracterização destes materiais. Da mesma forma, foram relacionadas

características de tecnologias de prototipagem rápida a fim de fundamentar o

desenvolvimento da concepção de uma nova tecnologia. Foi estudado o

comportamento do filamento em função de parâmetros de controle do processo

através de um planejamento fatorial de quatro fatores de resposta em função de três

fatores de controle. Foram encontradas janelas de processo que possibilitam

relacionar características finais do filamento com parâmetros de controle e a

interação entre os mesmos. Com o estudo realizado, pode-se concluir que os testes

iniciais apontam para uma viabilidade do sistema proposto. No entanto, em função

da originalidade e do caráter inicial deste trabalho, mais estudos relacionados ao

processo e aos materiais são necessários.

Palavras-chave: Prototipagem Rápida, Fotopolimerização, Desenvolvimento de

Produto

vii

CUNICO, Marlon Wesley Machado, Viability study of Rapid Prototyping Technology Based on extruded photopolymeric Materiais, 2009, Dissertation

(Master in Engeneering) - Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica e

de Materiais, Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 204p.

ABSTRACT

As consequence of increasing of customer`s needs, time of product development are

obligated to be reduced by enterprises, which also intent to created products whose

differential attend those needs. Therefore, several solutions had to be developed to

support those changes, as such rapid prototyping. In spite of the growth of this

technology, there is no national supplier. In face of that gap, the main goal of this

work is to start the development of a national technology, studying the feasibility of

the new conception proposed in this work. In order to achieve this, photopolymeric

materials and rapid prototyping technologies were studied. It was found both

photopolymer characteristics and characterization methods of these materials. In the

same way, through characteristics of current rapid prototyping it was defined

parameters that support the development of a new conception. It was studied the

behavior of deposited filament in function of control parameters applying the factorial

design method, which defined four response factors and three control factors. It was

created contour diagrams that show the relationship between characteristics of final

process, the control parameters and their interactions. Through the study done, it

was concluded that the results of the prelimilary test point to feability of the proposed

system. Nevertheless, due to the originality and the initial stage of this work, it’s

necessary to carry out farther studies related to process and materials.

Keywords: Rapid Prototyping, Photopolymerization, Product Development

viii

SUMÁRIO

AGRADECIMENTOS ................................................................................................. iv RESUMO.................................................................................................................... vi ABSTRACT ............................................................................................................... vii SUMÁRIO..................................................................................................................viii LISTA DE FIGURAS .................................................................................................. xi LISTA DE TABELAS ................................................................................................xxii LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS .................................................................. xxv LISTA DE SÍMBOLOS.............................................................................................xxvi 1 INTRODUÇÃO......................................................................................................1

1.1 Contextualização..................................................................................................................... 1 1.2 Apresentação do problema ..................................................................................................... 3 1.3 Relevância do problema.......................................................................................................... 3 1.4 Proposta .................................................................................................................................. 5 1.5 Objetivos.................................................................................................................................. 6

1.5.1 Objetivo geral ...................................................................................................................... 6 1.5.2 Objetivos específicos........................................................................................................... 7

1.6 Organização do Trabalho........................................................................................................ 7 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .................................................................................8

2.1 Tecnologias RP ....................................................................................................................... 8 2.1.1 Modelagem por Fusão e Deposição (FDM) ........................................................................ 8 2.1.2 Estereolitografia (SL)......................................................................................................... 16 2.1.3 Inkjet Print (IJP) ................................................................................................................. 19 2.1.4 Comparativo entre tecnologias RP.................................................................................... 21

2.2 Materiais Fotopoliméricos ..................................................................................................... 23 2.2.1 Definições.......................................................................................................................... 23 2.2.2 Compostos ........................................................................................................................ 24 2.2.3 Monômeros........................................................................................................................ 24 2.2.4 Oligômero .......................................................................................................................... 25 2.2.5 Fotoiniciadores e Co-iniciadores ....................................................................................... 25 2.2.6 Aditivos .............................................................................................................................. 27 2.2.7 Fabricantes........................................................................................................................ 27 2.2.8 Fases da polimerização .................................................................................................... 28 2.2.9 Parâmetros de controle de fotopolimerização................................................................... 32

2.3 DoE (Design of Experiments) ................................................................................................ 36 2.3.1 Conceitos Gerais de Experimentação............................................................................... 36 2.3.2 Técnicas para Definição da Seqüência de Ensaios.......................................................... 37 2.3.3 Planejamento Fatorial........................................................................................................ 38

2.4 Discussão sobre a Revisão................................................................................................... 42

ix

3 MATERIAL E MÉTODOS ...................................................................................44 3.1 Materiais ................................................................................................................................ 44

3.1.1 Monômeros e Oligômeros ................................................................................................. 44 3.1.2 Iniciadores ......................................................................................................................... 46 3.1.3 Solvente e Não-Solvente................................................................................................... 50 3.1.4 Câmara de contenção e Reflexão..................................................................................... 51 3.1.5 Lâmpada de vapor de mercúrio ........................................................................................ 51 3.1.6 Lâmpada UV...................................................................................................................... 52 3.1.7 Balança eletrônica............................................................................................................. 54 3.1.8 Molde de Vidro .................................................................................................................. 54 3.1.9 Interface de Controle de Intensidade Luminosa ............................................................... 55 3.1.10 Equipamento de Prototipagem Rápida ............................................................................. 57

3.2 Caracterização de Material ................................................................................................... 60 3.3 Parâmetros e Controle do Processo RP Proposto................................................................ 61

3.3.1 Controle de Intensidade Luminosa.................................................................................... 61 3.3.2 Velocidade de Extrusão .................................................................................................... 62 3.3.3 Velocidade de Deposição.................................................................................................. 64 3.3.4 Sintaxe de Programação CNC.......................................................................................... 67 3.3.5 Procedimento experimental............................................................................................... 69

4 PARTE EXPERIMENTAL ...................................................................................71 4.1 Estudo do Material................................................................................................................. 71

4.1.1 Caracterização de Material – 1 ......................................................................................... 71 4.1.2 Caracterização de Material – 2 ......................................................................................... 72 4.1.3 Caracterização de Material – 3 ......................................................................................... 73 4.1.4 Caracterização de Material – 4 ......................................................................................... 74 4.1.5 Caracterização de Material – 5 ......................................................................................... 75 4.1.6 Caracterização de Material – 6 ......................................................................................... 76

4.2 Estudo do Processo de Prototipagem Rápida ...................................................................... 77 4.2.1 Caracterização de Filamento – 1 ...................................................................................... 77 4.2.2 Caracterização de Filamento – 2 ...................................................................................... 78 4.2.3 Interação entre Filamentos................................................................................................ 82 4.2.4 Viabilidade Funcional ........................................................................................................ 83

4.3 Resumo de Estudo de Material do Processo........................................................................ 85 5 RESULTADOS E DISCUSSÕES........................................................................87

5.1 Estudo do Material................................................................................................................. 87 5.1.1 Caracterização de Material – 1 ......................................................................................... 87 5.1.2 Caracterização de Material – 2 ......................................................................................... 88 5.1.3 Caracterização de Material – 3 ......................................................................................... 90 5.1.4 Caracterização de Material – 4 ......................................................................................... 93 5.1.5 Caracterização de Material – 5 ......................................................................................... 95

x

5.1.6 Caracterização de Material – 6 ......................................................................................... 96 5.1.7 Resumo de Resultados do Estudo do Material................................................................. 98

5.2 Estudo do Processo de Prototipagem Rápida ...................................................................... 98 5.2.1 Caracterização de Filamento – 1 ...................................................................................... 99 5.2.2 Caracterização de Filamento – 2 .................................................................................... 101 5.2.3 Interação entre filamento................................................................................................. 151 5.2.4 Viabilidade funcional........................................................................................................ 155 5.2.5 Resumo de resultados do Estudo do Processo de RP................................................... 157

5.3 Análise Comparativa ........................................................................................................... 158 6 CONCLUSÕES.................................................................................................161

6.1 Considerações finais ........................................................................................................... 161 6.2 Conclusões.......................................................................................................................... 162 6.3 Estudos propostos............................................................................................................... 164

PRODUÇÃO CIENTÍFICA NO PERÍODO (Set 2006 – Set 2008) ...........................166 REFERÊNCIAS.......................................................................................................167

xi

LISTA DE FIGURAS

Figura 1.1 - Representação genérica do processo de adição de camadas, princípio

de RP (VOLPATO et al., 2004) ............................................................................2

Figura 1.2 - Comparação entre tempo de comunicação na fase de projeto utilizando

desenhos 2D, modelos CAD 3D e protótipos físicos (VOLPATO, 2007) .............4

Figura 1.3 - Ilustração por quartil dos investimentos em RP de 2003 a 2005

(3DSYSTEMS, 2006) ...........................................................................................4

Figura 1.4 - Representação de proposta de nova concepção de RP..........................6

Figura 2.1- Representação do funcionamento de uma máquina FDM (AHN, 2002) ...9

Figura 2.2 - Ilustração esquemática de concepção de sistema de deposição (GENG

et al., 2005) ........................................................................................................10

Figura 2.3 – Ilustração esquematica de concepção de sistema de deposição

FDM (CRUMP, 1989) .........................................................................................10

Figura 2.4 - Ilustração esquemática de concepção de sistema de deposição de

FDM (CRUMP, 1989) .........................................................................................11


FDM (BATCHELDER e JACKSON, 1995 ) ........................................................11


FDM (CRUMP et al., 1994) ................................................................................12


FDM (GENG et al., 2005; BATCHELDER, 2006)...............................................12


FDM (CRUMP, 1989) .........................................................................................12

Figura 2.9 – Ilustração de tipos de preenchimento onde: a) contorno (contour) e

b) varedura (raste)r (BELLINI e GÜÇERI, 2003)................................................13

Figura 2.10 - Ilustração de seção transversal de filamentos, onde é apresentada a

interação entre filamentos e vazios (BATCHELDER, 1995)...............................14

xii

Figura 2.11 - Foto de seção transversal de peça (AHN, 2002) .................................14

Figura 2.12 – Ilustração de vazios gerados em região entre contorno e

preenchimento raster (HOLZWARTH, 2006) .....................................................14

Figura 2.13 - Sistema FDM Fab@home (MALONE e LIPSON, 2006) ......................15

Figura 2.14 - Sistema FDM RepRap (BOWYER, 2008) ............................................15

Figura 2.15 - Exemplo de peças construidas em silicone por Fab@home (LIPSON e

MALONE, 2008).................................................................................................16

Figura 2.16 – Exemplos de peças construídas em policaprolactona por RepRap

(BOWYER, 2008)...............................................................................................16

Figura 2.17 – Esquema de funcionamento de Estereolitografia (VANDRESEN, 2004)

...........................................................................................................................17

Figura 2.18 - Representação de seção transvesal de uma linha única gerada por

SLA (JACOBS, 1992; TANG, 2005) ...................................................................18

Figura 2.19 - Esquema de funcionamento de IJP (OBJET, 2008).............................19

Figura 2.20 – Formação de linhas em função de frequência de deposição

(MARGOLIN, 2006)............................................................................................20

Figura 2.21 - Comparativo entre tempo médio de fabricação de peças fabricadas por

FDM, IJP e SL (GRIMM, 2003) ..........................................................................21

Figura 2.22 - Comparativo entre desvios dimensionais de peças fabricadas por FDM,

IJP e SL (GRIMM, 2003) ....................................................................................22

Figura 2.23 - Comparativo entre qualidade superficial de peças fabricadas por FDM,

IJP e SL (GRIMM, 2003) ....................................................................................23

Figura 2.24 - Exemplo dos principais grupos funcionais apropriados à fotocura: a)

dupla-ligação entre oxigênio e carbono; b) dupla-ligação entre átomos de

carbono; c) anel epóxi (ODIAN, 2004) ...............................................................24

Figura 2.25 - Representação de geração de fotofragmentação (MATYJASZEWSKI e

DAVIS, 2002) .....................................................................................................25

xiii

Figura 2.26 - Representação de geração de íons utilizados em fotocura

(MATYJASZEWSKI e DAVIS, 2002)..................................................................26

Figura 2.27 - Exemplo de amina terciária, Benzophenone/ N,N-dimethyl aniline

(MATYJASZEWSKI e DAVIS, 2002)..................................................................26

Figura 2.28 – Fases e tipos de de fotopolimerização radicalar, onde

fotofragmentação e abstração são referêntes ao Tipo I e a transferência de

eletrons ao Tipo II (KRICHELDORF et al., 2005)...............................................29

Figura 2.29 - Representação de tipos de quebra de ligação, onde a)heterolítica;

b)dupla ligação; c)homolítica (ODIAN, 2004) .....................................................30

Figura 2.30 - Representação de fases de polimerização iônica, propagação,

transferência e terminação, respectivamente (RODRIGUES e NEUMANN, 2003)

...........................................................................................................................30

Figura 2.31 - Exemplos de grupos funcionais de polimerização por abertura de anéis

(ODIAN, 2004) ...................................................................................................31

Figura 2.32 - Representação da propagação proveniente da abertura do anél epóxi

(ODIAN, 2004) ...................................................................................................32

Figura 2.33 - Espectro de absorção de IRGACURE 651, 99,9%(JASTY, 1999) .......34

Figura 3.1 - Representação gráfica da estrutura molecular do metacrilato de

metila(SIGMA-ALDRICH, 2008a).......................................................................45

Figura 3.2 - Representação gráfica da estrutura molecular do CN501(SIGMA-

ALDRICH, 2008b) ..............................................................................................46

Figura 3.3 - Ilustração da estrutura molecular do Peróxido de benzoila

(MATYJASZEWSKI e DAVIS, 2002). .................................................................47

Figura 3.4 –Curva de absorção de luz e representação gráfica da estrutura molecular

do Irgacure 184, 99,9% (JASTY, 1999) .............................................................48

Figura 3.5 - Curva de absorção de luz e representação gráfica da estrutura molecular

do Irgacure 651, 99% (JASTY, 1999) ................................................................49

Figura 3.6 - Curva de absorção e representação gráfica da estrutura molecular de

benzofenona, 99% (JASTY, 1999).....................................................................50

xiv

Figura 3.7 - Caixa de contenção e reflexão...............................................................51

Figura 3.8 - Foto de lâmpada de vapor de mercúrio (400W) sem bulbo ...................52

Figura 3.9 - Distribuição espectral de lâmpada de vapor de mercúrio 400W com

bulbo (filtro) (GE, 2007)......................................................................................52

Figura 3.10 – Foto e ilustração de Lampada UV PL-S 9W 10/2p UNP, onde

A=129mm; B= 144.5 mm; C= 167.5 mm; D= 28mm; D1= 13mm.......................53

Figura 3.11 - Espectro emissão de luminosa por comprimento de onda de lâmpada

PL-S 9W 10/2P UNP (PHILIPS, 2008) ...............................................................53

Figura 3.12- Foto de balança eletrônica de10mg de precisão ..................................54

Figura 3.13 - Ilustração de molde de vidro utilizado em experimentos de tempo de

polimerização .....................................................................................................55

Figura 3.14 – Esquema eletrônico da interface de controle de intensidade luminosa

desenvolvida, onde R é potenciômetro de calibração e T é um LDR (Light

Divisor Resistor) .................................................................................................56

Figura 3.15 - Foto de Máquina CNC com controle XYZ ............................................57

Figura 3.16 - Foto de cabeçote extrusor ...................................................................58

Figura 3.17 – Layout de interface de controle desenvolvido para controle de

equipamento de RP ...........................................................................................60

Figura 3.18 - Fluxograma de procedimento de experimento de determinação de

tempo de polimerização .....................................................................................61

Figura 3.19 – Gráfico da vazão(s

mm3

) em função do período (segundos),

considerando a precisão do atuador linear de 0,0006mm,.................................64

Figura 3.20 - Ilustração do comportamento médio do filamento em regime..............65

Figura 3.21 - Representação de parâmetros de processo, onde P (segundos) é a

entrada e Vc (mm/min) a saída, e h (0,15mm), Ps (0,0006mm/passo),

Db (0,45mm) e Di (10mm) as constantes previamente fixadas ........................66

Figura 3.22 -Fluxograma de processo experimental .................................................70

xv

Figura 4.1 - Ilustração de trajetória de deposição do estudo de filamentos realizado

por planejamento fatorial, experimento 2. ..........................................................80

Figura 4.2 - Ilustração de tomada de medida de trajetória de deposição,

considerando largura de filamento de 1,5mm ....................................................81

Figura 4.3 - Ilustração de trajetória de deposição do experimento 3, tendo 4

diferentes distâncias entre filamentos, para observar o comportamento entre

filamentos...........................................................................................................83

Figura 4.4 - Dimensões de corpos de provas............................................................84

Figura 4.5 - Ilustração de trajetória de deposição de corpo de prova 3.....................84

Figura 4.6 - Ilustração de trajetória de deposição de corpo de prova 4.....................85

Figura 5.1 - Curva de conversão de fotopolimerização de MMA em 1% peróxido de

benzoila, utilizando fonte UV de 400W ..............................................................88

Figura 5.2 - Taxa de polimerização de cola BE 20 sem fotoiniciador em fonte UV(9W)

...........................................................................................................................89

Figura 5.3 - Diagrama de Efeitos principais de fatores de controle sobre fator de

resposta Conversão ...........................................................................................91

Figura 5.4 - Diagrama de Pareto de efeitos das interações entre fatores sobre a

conversão, considerando coeficiente de erro de 0,05........................................91

Figura 5.5 - Diagrama de contorno de taxa de conversão de cola BE 20 contra

concentração de solvente (tetracloreto de carbono), e tempo de exposição pela

luz UV (9W)........................................................................................................92

Figura 5.6 - Foto da solução após exposição em UV no não-solvente etanol (5ml)

com 28,47% de conversão.................................................................................94

Figura 5.7 - Curva de conversão de fotopolimerização de solução de MMA (1ml),

CN501(1ml) em 2% de Irgacure 184..................................................................94

Figura 5.8 – Foto da solução após exposição em UV no não-solvente etanol (5ml)

com 91% de conversão......................................................................................95

Figura 5.9 – Curva de conversão de fotopolimerização de solução de MMA (1ml) e

CN501(1ml) em mistura de 4% de Irgacure 651 ...............................................96

xvi

Figura 5.10 – Curva de conversão de fotopolimerização de solução de MMA (0,5ml)

e CN501(1ml) em mistura de 4% de Irgacure 184 e 4% de benzofenona ........97

Figura 5.11 – Fotos de filamentos tiradas em microscópio ótico 50 x, onde cada

filamento representa o grupo de filamentos construídos com velocidade de

cabeçote extrusor de: 40mm/min (filamento 1), 60mm/min (filamento 2) e

90mm/min (filamento 3)......................................................................................99

Figura 5.12 – Curva de comportamento de filamento .............................................100

Figura 5.13 - Foto de trajetória de deposição de experimento H.............................102

Figura 5.14 - Diagrama de Box-Whisker das amostras do experimento A..............103

Figura 5.15 - Foto de amostra 1 de experimento A .................................................103

Figura 5.16 - Foto da amostra 2 do experimento A .................................................104

Figura 5.17 - Foto da amostra 3 do experimento A .................................................104

Figura 5.18 - Ilustração da região do filamento que recebe maior intensidade

luminosa em função da incidência e distância .................................................105

Figura 5.19 – Ilustração de ponta de bico extrusor onde é representada a incidência

de raios de luz provenientes da fonte luminosa, gerando uma região com maior

incidência de luz...............................................................................................105

Figura 5.20 - Diagrama de Box-Whisker das amostras do experimento B..............106

Figura 5.21 - Foto de amostra 1 do experimento B .................................................107

Figura 5.22 - Foto de amostra 2 de experimento B .................................................107

Figura 5.23 - Foto de amostra 3 de experimento B .................................................108

Figura 5.24 - Diagrama de Box-Whisker de amostras do experimento C ...............108

Figura 5.25 - Foto de amostra 1 do experimento C.................................................109

Figura 5.26 - Foto de amostra 2 do experimento C.................................................109

Figura 5.27 - Foto de amostra 3 de do experimento C............................................110

Figura 5.28 - Diagrama de Box-Whisker das amostras do experimento D..............110

Figura 5.29 - Foto de amostra 1 do experimento D.................................................111

xvii



Figura 5.32 - Diagrama de Box-Whisker das amostras do experimento E..............112

Figura 5.33 - Foto de amostra 1 do experimento E .................................................113



Figura 5.36 - Ilustração de etapas de quebra de continuidade devido a perda de

contato do filamento com superfície.................................................................115

Figura 5.37 - Diagrama de Box-Whisker das amostras do experimento F ..............115

Figura 5.38 - Foto de amostra 1 do experimento F .................................................116

Figura 5.39 - Foto de amostra 3 do experimento F .................................................116

Figura 5.40 - Foto de região de quebra de continuidade de filamento do

experimento F ..................................................................................................117

Figura 5.41 - Diagrama de Box-Whisker de amostras do experimento H ...............117

Figura 5.42 - Foto de amostra 1 do experimento H.................................................118



Figura 5.45 – Representação gráfica de resultados de fatores de resposta em função

de seus respectivos fatores de controle ...........................................................120

Figura 5.46 - Gráfico de efeitos principais de fatores de controle sobre respostas

médias dos experimentos relacionados à largura de filamento (Rm)...............121

Figura 5.47 - Regressão de PLS dos efeitos das interações sobre Rm, considerando

probabilidade de erro de 0,05 ..........................................................................122

Figura 5.48 - Diagrama de Pareto de efeitos das interações entre fatores sobre Rm,

considerando probabilidade de erro de 0,05. ...................................................122

Figura 5.49- Diagrama de contorno de Rm em função de Ve e Vc, considerando

valor estático de h=0,15mm .............................................................................123

xviii

Figura 5.50 - Diagrama de contorno de Rm em função de Ve e Vc, considerando

valor estático de h=0,175mm ...........................................................................124

Figura 5.51 - Diagrama de contorno de Rm em função de Ve e Vc, considerando

valor estático de h=0,2m ..................................................................................124

Figura 5.52 - Diagrama de contorno de Rm em função de Vc e h, considerando valor

estático de Ve=0,0012mm/s.............................................................................125


estático de Ve=0,00125mm/s...........................................................................126



Figura 5.55 - Diagrama de contorno de Rm em função de Ve e h, considerando valor

estático de Vc=120mm/min..............................................................................127





Figura 5.58 - Representação gráfica de valores de fatores de resposta Cd(mm) em

relação a fatores de controle Vc(mm/min), h(mm) e Ve(mm/s)........................129

Figura 5.59 - Diagrama de efeitos principais dos fatores de controle Ve, Vc e h sobre

característica dimensional da trajetória de deposição(Cd)...............................130

Figura 5.60 –Regressão de PLS dos efeitos das interações sobre Cd, considerando

probabilidade de erro de 0,05 ..........................................................................131

Figura 5.61 - Diagrama de Pareto de efeitos das interações entre fatores sobre Cd,

considerando probabilidade de erro de 0,05. ...................................................131

Figura 5.62 - Diagrama de contorno de Cd em função de Ve e Vc, considerando

valor estático de h=0,15mm .............................................................................132


valor estático de h=0,175mm ...........................................................................132

xix


valor estático de h=0,2mm ...............................................................................133

Figura 5.65 - Diagrama de contorno de Cd em função de Ve e h, considerando valor






Figura 5.68 - Diagrama de contorno de Cd em função de Vc e h, considerando valor



estático de Ve=0,00125mm/s...........................................................................136



Figura 5.71 - Representação gráfica dos resultados relacionados com o fator de

resposta Qualidade ..........................................................................................138

Figura 5.72 - Diagrama de efeitos principais de fatores de controle Vc, h e Ve sobre

fator de resposta Qualidade .............................................................................139

Figura 5.73 - Regressão de mínimos quadrados parciais de efeitos interação entre

fatores de controle sobre fator resposta Qualidade, considerando probabilidade

de erro de 0,05.................................................................................................139

Figura 5.74 - Diagrama de Pareto de efeitos das interações entre fatores sobre

Qualidade, considerando probabilidade de erro de 0,05..................................140

Figura 5.75 - Diagrama de contorno de Qualidade em função de Vc e h,

considerando valor estático de Ve=0,0012mm/s..............................................141


considerando valor estático de Ve=0,00125mm/s............................................141


considerando valor estático de Ve=0,0013mm/s..............................................142

xx

Figura 5.78 - Diagrama de contorno de Qualidade em função de Vc e Ve,

considerando valor estático de h=0,15mm.......................................................143


considerando valor estático de h=0,175mm.....................................................143


considerando valor estático de h=0,2mm.........................................................144

Figura 5.81 - Diagrama de contorno de Qualidade em função de Ve e h,

considerando valor estático de Vc=120mm/min...............................................144





Figura 5.84 - Representação gráfica de valores do fator de resposta Continuidade

em relação a Ve, h e Ve...................................................................................147

Figura 5.85 - Diagrama de Efeitos principais de fatores de controle sobre fator de

resposta Continuidade .....................................................................................147

Figura 5.86 – Regressão PLS de efeitos interação entre fatores de controle sobre

fator resposta Continuidade, considerando probabilidade de erro de 0,05 ......148

Figura 5.87 - Diagrama de Pareto de efeitos das interações entre fatores sobre

Continuidade, considerando probabilidade de erro de 0,05 .............................148

Figura 5.88 - Diagramas de contorno de Continuidade em função de (Vc;h) e (Vc;Ve)

.........................................................................................................................149

Figura 5.89 - Diagrama de Contorno de continuidade em função de Ve e h, tendo Ve

com valor estático Vc=120mm/min ..................................................................149

Figura 5.90 - Compilação de diagramas de contorno de Largura de filamento; Cd;

Qualidade em função de Ve e Vc, e diagrama de contorno de continuidade em

função de h e Vc ..............................................................................................150

Figura 5.91 - Diagrama de contorno de Rm, Cd, Qualidade ...................................151

xxi

Figura 5.92 – Representação de trajetória de deposição, considerando largura de

filamento de 1,2mm, e medidas de referência .................................................152

Figura 5.93 - Fotos de trajetórias de deposição de estudo de interação entre

filamentos.........................................................................................................153

Figura 5.94 – Representação de regiões de inicio de deposição, falha de deposição

e de deposição em regime...............................................................................154

Figura 5.95 – Foto de Corpo de prova 3 .................................................................156

Figura 5.96 – Foto de Corpo de prova 4 .................................................................157

Figura 5.97 - Imagem de superfície de filamento gerado por tecnologia 3DP

(ULBRICH, 2007) .............................................................................................159

Figura 5.98 - Imagem de deposição de filamentos gerados por FDM (MONTERO et

al., 2001) ..........................................................................................................159

xxii

LISTA DE TABELAS

Tabela 1.1 - Relação de características satisfatórias observadas em três tecnologias

de RP ...................................................................................................................5

Tabela 2.1 - Tabela de tipos de interações entre filamentos de SL (TANG, 2005) ...18

Tabela 2.2 - Relação de fabricantes de monômeros e oligômeros (RADTECH, 2008)

...........................................................................................................................27

Tabela 2.3 - Relação de fabricantes de aditivos (RADTECH, 2008) .........................27

Tabela 2.4 - Relação de fabricantes de fotoiniciadores para polimerização

(RADTECH, 2008) .............................................................................................28

Tabela 2.5 - Tabela de classificação de tipos de modelos estatísticos para realização

de planejamento fatorial (ERIKSSON et al., 2000) ............................................39

Tabela 2.6 - Tabela exemplo de tipos de experimentos (ERIKSSON et al., 2000) ...41

Tabela 3.1 - Especificação técnica de cola acrílica BE 20 ........................................45

Tabela 3.2 - Lista de principais comandos de controle utilizados no processo .........68

Tabela 4.1 - Tabela de amostras por tempos de exposição de caracterização de

material - 1 .........................................................................................................71

Tabela 4.2 - Tabela de grupos amostrais e seus respectivos tempos de exposição a

luz UV - Caracterização de material -2..............................................................72

Tabela 4.3 - Tabela de níveis de fatores de controle - Caracterização de material -3

...........................................................................................................................73

Tabela 4.4 - Matriz de experimentos do planejamento fatorial da cola BE-20 -

Caracterização de material -3 ...........................................................................74

Tabela 4.5 - Tabela de grupos amostrais em relação aos seus tempos de exposição

à luz UV - Caracterização de material -4...........................................................75


à luz UV – Caracterização de material – 5 .........................................................75

xxiii


à luz UV – Caracterização de material – 6 .........................................................76

Tabela 4.8 – Lista de valores de velocidade do cabeçote.........................................78

Tabela 4.9 – Tabela de níveis e valores de fatores de controle – Caracterização de

filamento – 2.......................................................................................................78

Tabela 4.10 - Matriz de experimento de planejamento fatorial de processo de

prototipagem rápida - Caracterização de filamento – 2......................................79

Tabela 4.11 –Escala quantificativa de parâmetros qualitativos, qualidade e

continuidade.......................................................................................................81

Tabela 4.12 – Tabela de parâmetros de processo utilizados no estudo de interação

entre filamento ...................................................................................................82

Tabela 4.13 – Tabela resumo de experimentos relacionados ao desenvolvimento de

material ..............................................................................................................85

Tabela 4.14 - Tabela resumo de experimentos relacionados ao estudo do processo

RP proposto .......................................................................................................86

Tabela 5.1 – Tabela de valores médios de fatores de resposta dos experimentos...90

Tabela 5.2 – Tabela resumo de resultados do estudo do material............................98

Tabela 5.3 – Tabela de análise estatística descritiva de grupos amostrais da largura

de filamento da caracterização de filamento 1 .................................................101

Tabela 5.4 - Matriz de experimento de planejamento fatorial de processo de

prototipagem rápida .........................................................................................102

Tabela 5.5 – Relação de valores de prova e decisão sobre a hipótese dos valores

amostras seguirem distribuição normal............................................................120

Tabela 5.6 - Tabela de valores médios dimensionais e de característica dimensional

.........................................................................................................................129

Tabela 5.7 - Escala relativa de qualidade de superfície de filamento......................137

Tabela 5.8 – Tabela de valores de resposta de fator de resposta Qualidade .........138

Tabela 5.9 - Tabela de valores de resposta de fator de resposta Continuidade .....146

xxiv

Tabela 5.10 – Tabela de valores de medições estimadas e de valores encontrados

fisicamente nas amostras.................................................................................153

Tabela 5.11 - Relação de corpos de prova, estratégias de deposição, número de

camadas, e dimensões de corpos de prova.....................................................156

Tabela 5.12 – Tabela resumo de resultados do estudo do processo RP proposto .158

xxv

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

2D - Bidimensional 3D - Tridimensional 3DP - Impressão 3D (3D Print) ABS - Acrilonitrila Butadieno Estireno ABSi - Acrilonitrila Butadieno Estireno Esterelizável CAD - Projeto Auxiliado por Computador (Computer Aided Design) CAM - Manufatura Auxiliada por Computador (Computer Aided Manufacturing)CNC - Controle Numérico Computadorizado (Computer Numerical Control) DoE - Design of Experiment EB - Feixe de Elétrons (Electron Beam) FDM - Modelagem por fusão e deposição HDPE - Polietileno de Alta Densidade IJP - Impressão Jato de Tinta (Ink Jet Print) IR - Infravermelho LDR - Light Divisor Resistor LED - Light Emissor Diode MMA - Metacrilato de Metila NC - Controle Numérico (Numerical Control) OS - Poliestireno PC - Policarbonato PCL - Policaprolactona PDP - Processo de Desenvolvimento de Produto PLS - Quadrados Mínimos Parciais (Partial Least Square) PMMA - Poli(metacrilato de metila) PPSF - Polifenilsulfona PSAI - Poliestireno de Alto Impacto RMN - Ressonância Magnética Nuclear RP - Prototipagem rápida (Rapid Prototyping) SL - Estereolitografia (Stereolithography) STL - STereoLithography format TMPTA - Trimethylolpropane Triacrylate UFPR - Universidade Federal do Paraná UTFPR - Universidade Tecnológica Federal do Paraná UV - Ultravioleta

xxvi

LISTA DE SÍMBOLOS

W - Largura de filamento depositado t - Espessura de camada Lw - Largura da seção de trajetória única Cp - Altura de seção de trajetória única Ri - Taxa de iniciação Ia - Intensidade de absorção de luz φ - Número de moléculas excitadas por fóton absorvido [C] - Concentração de fotoiniciador l - Espessura de camada

'aI - Intensidade de absorção de luz 0I - Intensidade de absorção de luz baseado em área ε - Coeficiente de extinção α - Coeficiente de absorção Rp - Taxa de propagação

pk - Coeficiente de propagação [M] - Concentração de monômero

tk - Coeficiente de terminação T - Tempo de polimerização [P] - Concentração de polímero I - Intensidade luminosa λ - Comprimento de onda y - Fator de resposta

0β - Efeito de cada fator de controle sobre fator de resposta 1x - Fator de controle

+R - Média dos valores de resposta obtidos com valores altos (+) do fator

−R - Média dos valores de resposta obtidos com valores baixos (-) do fator ab - Número total de experimentos do planejamento

y - Média dos efeitos individuais da medida, (+) e (-) corresponde ao nível alto e nível baixo

s - Erro na medida (desvio padrão) k - Número de fatores experimentais no planejamento fatorial Ve - Velocidade de extrusão do material P - Resolução

0Ve - Vazão do extrusor f - Freqüência

P - Período Vc - Velocidade de deposição h - Altura de deposição Rp - Velocidade de polimerização Db - Diâmetro do bico extrusor

xxvii

0Vb - Vazão de extrusão no bico extrusor A - Área de exposição

maxP - Período máximo gerado pela interface de controle maxVc - Velocidade máxima de deslocamento do cabeçote extrusor

G91 - Define deslocamento relativo G90 - Define deslocamento absoluto G71 - Define sistema métrico M03 - Liga extrusor sentido deposição M04 - Liga extrusor sentido sucção M05 - Desliga extrusor M08 - Liga lâmpada M09 - Desliga lâmpada G04 - Liga tempo de espera P - Determina tempo de espera em segundos G00 - Deslocamento em velocidade máxima G01 - Deslocamento em velocidade de deposição

F - Determina velocidade de deslocamento do cabeçote extrusor em mm/min

S - Determina velocidade de deposição (não implementado) T1 - Tempo de espera de liga extrusor T2 - Tempo de espera de liga lâmpada T3 - Tempo de espera de desliga extrusor Cd - Desvio dimensional da trajetória de deposição

Capítulo 1 - INTRODUÇÃO 1

1 INTRODUÇÃO

Com o passar dos anos, a exigência dos consumidores vem aumentando

gradativamente, levando empresas a diminuir o ciclo de desenvolvimento de produto

assim como reduzir custos criando diferencial agregado a seus produtos. Desta

forma, torna-se cada vez mais indispensável para o êxito de empresas perante o

mercado a realização de pesquisas relacionadas ao desenvolvimento de novos

produtos (KOSHAL, 1993; LEONDES, 2001; ROZENFELD et al., 2006 ).

Desta forma, ao levar em consideração que a empresa pode se tornar mais

competitiva em termos de desenvolvimento de produto, foi desenvolvida a pesquisa

apresentada nesta dissertação. Nesta é apresentada a problemática do tema,

fundamentos teóricos, proposta e objetivos da pesquisa, experimentos e conclusões

desta pesquisa, cujo tema é relacionado com processos de Prototipagem

Rápida (RP).

Uma forma de otimizar o Processo de desenvolvimento de Produto (PDP),

reduzindo tempos de desenvolvimento, custos, erros de projeto e riscos de inovação,

em fases de: a) desenvolvimento; b) produção; c) e operação; (CIMDATA, 2002;

BOSWELL, 2005) é a construção de protótipos físicos, sendo uma das formas mais

eficazes de obtenção destes é o processo de RP (VOLPATO, 2007).

1.1 Contextualização

As tecnologias RP nasceram no final dos anos 80 tendo sido utilizadas para a

construção de protótipos de forma direta ou de forma indireta. Ou seja, os protótipos

podem ser fabricados diretamente por estas tecnologias, ou através de ferramentas

fabricadas pelo RP, como por exemplo, moldes (LAFRATTA, 2003).

Embora a procura por tecnologias RP tenha aumentado nos últimos anos,

ainda não há nem fabricantes nacionais, nem tecnologias nacionais completamente

desenvolvidas (VOLPATO, 2007).


Esta tecnologia basicamente consiste na fabricação do protótipo através de

modelos computacionais 3D por adição de material camada sobre camada, diferindo

de outros processos convencionais, baseados em remoção de material, como

usinagem (SOUZA et al., 2004; VANDRESEN, 2004).

Na Figura 1.1 são apresentadas, de forma esquemática, as fases da RP, onde

são geradas camadas bidimensionais (2D) computacionalmente, via programas

CAM (Manufatura Auxiliada por Computador), que são construídas e empilhadas de

forma a fabricar a peça. Estas camadas são geradas através do fatiamento de

modelos tridimensionais (3D) CAD (Projeto Auxiliado por Computador), que seguem,

normalmente, o formato de arquivo chamado STereoLithography (STL) (SOUZA et

al., 2004; VANDRESEN, 2004; BOSWELL, 2005).

Figura 1.1 - Representação genérica do processo de adição de camadas, princípio

de RP (VOLPATO et al., 2004)

Para contemplar todas as etapas de fabricação por adição de camada as

tecnologias RP envolvem diversas áreas de pesquisa, como eletrônica, óptica,

materiais e processos de fabricação, entre outros (KHALIL et al., 2005; XU et al.,


2006). Entretanto, a área de concentração da dissertação será focada em processos

e materiais.

1.2 Apresentação do problema

Em função da velocidade de resposta na obtenção de protótipos das

tecnologias RP ser maior que as dos processos tradicionais, estas tecnologias vem

sendo procuradas de forma mais intensa, visto que, através destas, diversas fases

do PDP são encurtadas, assim como são reduzidos erros de projeto (FOGGIATTO

et al., 2004; VOLPATO, 2007).

Através destas tecnologias, podem ser auxiliadas as fases de planejamento

estratégico, projeto conceitual, projeto detalhado e pré-fabricação, conforme PDP, à

medida que se manipula modelos físicos para realização de testes funcionais, testes

ergonômicos, planejamento de montagem e fabricação. Contudo, apesar das

vantagens geradas por estas tecnologias, não há fabricantes nacionais de

tecnologias RP. Isto torna cara sua utilização, gerando dependência estrangeira. Em

função disto, a disseminação destas é difícil (VOLPATO, 2007).

Desta forma, destaca-se a importância do desenvolvimento de uma tecnologia

nacional com finalidade de reduzir o custo de fabricação de peças por RP, reduzindo

dependência estrangeira e tornando, por conseqüência, o mercado nacional mais

competitivo.

1.3 Relevância do problema

Existem diversas vantagens para o PDP na utilização de tecnologias RP, como

otimização, redução de tempo e custo de desenvolvimento, redução de riscos de

inovação, auxílio à manufatura (FOGGIATTO et al., 2004; VOLPATO, 2007). Uma

destas vantagens pode ser observada quando comparado a utilização de sistemas

CAD 2D, CAD 3D e protótipos físicos em função do tempo de comunicação e

tomada de decisões entre os envolvidos no projeto, como clientes, fornecedores e

equipes de projeto (Figura 1.2).


Nos últimos anos a demanda de utilização de RP globalmente ampliou

significantemente, mostrando a importância desta tecnologia e seu impacto, como é

apresentado na Figura 1.3.

Figura 1.3 - Ilustração por quartil dos investimentos em RP de 2003 a 2005 (3DSYSTEMS, 2006)

Figura 1.2 - Comparação entre tempo de comunicação na fase de projeto utilizando

desenhos 2D, modelos CAD 3D e protótipos físicos (VOLPATO, 2007)


Apesar deste aumento, o cenário nacional não contém nenhum fabricante de

tecnologias de RP (VOLPATO, 2007).

Isto faz com que o estudo e desenvolvimento destas tecnologias em âmbito

nacional contribuam para o progresso tecnológico do país, assim como para a

geração de novos negócios, em função da deficiência nacional desta área.

1.4 Proposta

A partir da grande demanda de tecnologias RP baseadas em materiais

fotopoliméricos (RODRIGUES e NEUMANN, 2003) como Estereolitografia (SL) e

Inkjet Print (IJP), aliada ao baixo custo de tecnologias RP baseadas em material

fundido, como a Modelagem por Fusão e Deposição (FDM), foram pesquisadas

características destes processos, já consolidados, para formar uma proposta de uma

nova tecnologia de RP nacional, que seja diferenciada, em relação às já existentes

no mercado. Algumas das características destas tecnologias, que podem ser

utilizadas para desenvolver e caracterizar um novo processo RP, podem ser

observadas na Tabela 1.1.

Tabela 1.1 - Relação de características satisfatórias observadas em três tecnologias de RP

Características Processo de origem

Deposição por filamentos FDM

Materiais fotopoliméricos SL

Cura por lâmpada UV IJP

Para concepção desta combinação de características, um sistema eletro-

mecânico movimenta o bico extrusor nos eixos X e Y, gerando camadas, enquanto o

em Z para a construção da próxima camada, como é representado na Figura 1.4.


Figura 1.4 - Representação de proposta de nova concepção de RP

Esta pesquisa visa definir características que fundamentem o desenvolvimento

de uma nova concepção de RP, sendo estudados: a) caracterização de materiais;

b) caracterização de processo; e c) alguns parâmetros de controle.

O desenvolvimento do material utilizado na deposição é necessário para o

processo de RP, tanto em relação à viscosidade do material antes de polimerizar e

tempo de cura, quanto aos parâmetros de processo apresentados na seção 2.1.4,

que refletem no estado final da peça, como a interação entre filamentos depositados.

Vistas estas características, é possível desenvolver tecnologias com novos

processos de deposição de material.

1.5 Objetivos

1.5.1 Objetivo geral

Como objetivo geral, pretende-se realizar um estudo da viabilidade funcional de

uma tecnologia de RP baseada em materiais fotopoliméricos extrudados e

polimerizados simultaneamente por lâmpada UV. Desta forma, pretende-se

apresentar uma nova concepção de tecnologia RP como contribuição para o

desenvolvimento de uma tecnologia nacional.


1.5.2 Objetivos específicos

Os objetivos específicos deste trabalho contemplam:

• Desenvolver um material adequado para a sua utilização em tecnologias

RP proposta;

• Desenvolver e construir equipamento protótipo adequado para

realização dos experimentos relacionados à tecnologia RP proposta,

adaptando parte mecânica de um CNC XYZ já existente;

• Realizar testes de viabilidade do princípio funcional, deposição de

filamentos com polimerização simultânea;

• Estudar comportamento do filamento do material depositado;

• Estudar a interação entre filamentos depositados;

1.6 Organização do Trabalho

Este trabalho é estruturado de forma a apresentar uma nova proposta de

tecnologia RP, assim como o desenvolvimento de material utilizado e caracterização

de processo, subsidiando desenvolvimento de tecnologia de prototipagem rápida

baseada em materiais fotopoliméricos.

Desta forma, o Capítulo 1 apresenta a problemática da proposta e objetivos do

trabalho, enquanto o Capítulo 2, além de apresentar uma revisão de literaturas

relacionadas aos processos RP, como SL, IJP e FDM, apresenta uma revisão sobre

materiais fotopoliméricos e métodos estatísticos e experimentais relacionados ao

tema. No Capítulo 3 são expostos materiais e métodos utilizados na realização da

pesquisa, assim como os procedimentos experimentais são apresentados no

Capítulo 4. No Capítulo 5 são apresentados os resultados relacionados aos

experimentos descritos no capítulo anterior, assim como discussões e análises

referentes a estes. Por fim, no Capítulo 6, são expostas conclusões sobre a

viabilidade do desenvolvimento de tecnologias RP baseadas em materiais

fotopoliméricos extrudados, objetivo geral desta dissertação.

Capítulo 2- REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 8

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Neste capítulo será apresentada uma revisão das áreas relacionadas a

Prototipágem Rápida (RP – Rapid Prototyping), tanto referentes ao princípio de

processamento, quanto aos materiais empregados, assim como as tecnologias e

princípios de processos RP. Adicionalmente, serão apresentados os métodos de

análise utilizados na pesquisa.

2.1 Tecnologias RP

Nesta seção, serão apresentadas as principais tecnologias de RP relacionadas

à proposta deste trabalho, assim como um comparativo entre estas.

2.1.1 Modelagem por Fusão e Deposição (FDM)

Apesar dos princípios de construção de peças das tecnologias de RP serem os

mesmos, existem vários processos e tecnologias relacionados à RP. Um destes

processos é o FDM, cujo princípio de processamento é a deposição de materiais

através de um bico extrusor que aquece e funde o material enquanto se movimenta

nos eixos do X e Y contornando e preenchendo a camada da peça previamente

calculada (TSENG e TANAKA, 2001; AHN et al., 2002; QIU e LANGRANA, 2002;

GONÇALVES et al., 2007; VOLPATO, 2007).

Após completada cada camada, uma plataforma onde foi depositada a primeira

camada se movimenta para baixo, afim de que se possa depositar a próxima

camada sobre a recém depositada, como é apresentado na Figura 2.1 (TSENG e

TANAKA, 2001; AHN et al., 2002; QIU e LANGRANA, 2002; GONÇALVES et al.,

2007; VOLPATO, 2007).

Os materiais que estão disponíveis, comercialmente, neste processo são: cera,

poliéster, ABS (Acrilonitrila Butadieno Estireno), ABSi (ABS Esterizável),

policarbonato (PC) e polifenilsulfona (PPSF) (VOLPATO, 2007).


Contudo, conforme reivindicação 39 da patente referente à invenção FDM,

citada abaixo, são também abrangidos metais, resinas termoplásticas, cera e

materiais capazes de ser solidificados em condições de ambiente (CRUMP, 1989):

“dispensing a solidifiable material in a fluid state from a dispensing head having a tip with a discharge

orifice therein, said tip having a substantially planar bottom surface, said material being one of which will

solidify at ambient conditions; (CRUMP, 1989).”

Figura 2.1- Representação do funcionamento de uma máquina FDM (AHN, 2002)

Para deposição do material utilizado no FDM, podem ser utilizados diversos

tipos de sistemas de deposição. Desta forma, podem ser observados 7 exemplos de

concepções de sistemas de deposição, apresentados da Figura 2.2 a Figura 2.8.

Entre estes, são contemplados sistemas com orifício único de deposição sendo

abastecidos de materiais em forma de filamentos sólidos flexíveis, fragmentos

sólidos e fluídos solidificáveis (CRUMP, 1989).


Figura 2.2 - Ilustração esquemática de concepção de sistema de deposição (GENG et al., 2005)

Figura 2.3 – Ilustração esquematica de concepção de sistema de deposição FDM (CRUMP, 1989)

Esta tecnologia gera basicamente filamentos de forma cilíndrica numa

velocidade média entre 19,6 e 36,75 mm/s. A faixa de largura destes filamentos se


encontra entre 0,254 e 2,54 mm (NG et al., 2002), e a altura de deposição

normalmente se encontram entre 0,12 e 0,36 mm (COOPER, 2001).

Figura 2.4 - Ilustração esquemática de concepção de sistema de deposição de FDM (CRUMP, 1989)

Figura 2.5 - Ilustração esquemática de concepção de sistema de deposição de FDM (BATCHELDER e JACKSON, 1995 )

Para a construção de cada camada são utilizadas trajetórias de deposição de

contorno e de preenchimento, sendo que o preenchimento pode ser do tipo contour,

raster e uma combinação das duas, como é apresentado na Figura 2.9 (BELLINI e

GÜÇERI, 2003; VOLPATO, 2007).


Figura 2.6 - Ilustração esquemática de concepção de sistema de deposição de FDM (CRUMP et al., 1994)

Figura 2.7 - Ilustração esquemática de concepção de sistema de deposição de FDM (GENG et al., 2005; BATCHELDER, 2006)

Figura 2.8 - Ilustração esquemática de concepção de sistema de deposição de FDM (CRUMP, 1989)


Nestes tipos de preenchimento são depositadas trajetórias que podem ser

controladas através dos parâmetros, distância entre filamentos e ângulo de

preenchimento. O ângulo de preenchimento é amplamente utilizado para aumentar a

resistência mecânica da peça quando construída uma camada com preenchimento

com ângulo de 90° defasado em relação à camada anterior(VOLPATO, 2007).

Figura 2.9 – Ilustração de tipos de preenchimento onde: a) contorno (contour) e b) varedura (raste)r (BELLINI e GÜÇERI, 2003)

A interação entre os filamentos depositados são apresentados na Figura 2.10,

onde podem ser observados vazios entre filamentos gerados em função das

geometrias dos filamentos e distâncias entre filamentos depositados

(BATCHELDER, 1995). Da mesma forma, estes vazios podem ser observados na

Figura 2.11, onde é apresentada uma foto da seção transversal de uma peça onde

foram depositadas camadas sem defasagem de ângulo de preenchimento.

Outra região que normalmente apresenta vazios em peças fabricadas por FDM

é a transição entre contorno e preenchimento, como pode ser observado na Figura

2.12 (HOLZWARTH, 2006).

Também cabe ressaltar a existência de outros equipamentos, além dos

desenvolvidos pela empresa Stratasys, USA, que apresentam mesmo princípio

funcional de FDM. Entre estes, está um projeto open-source chamado Fab@home,

apresentado na Figura 2.13, que deposita materiais como, silicone, alimentícios

(chocolate, queijo,...), cola entre outros (MALONE e LIPSON, 2006). A deposição é

realizada através de sistema de deposição por seringa similar ao patenteado pela

empresa Stratasys, USA (BATCHELDER, 2006).


Figura 2.10 - Ilustração de seção transversal de filamentos, onde é apresentada a interação entre filamentos e vazios (BATCHELDER, 1995)

Figura 2.11 - Foto de seção transversal de peça (AHN, 2002)

Figura 2.12 – Ilustração de vazios gerados em região entre contorno e preenchimento raster (HOLZWARTH, 2006)


Outro projeto open-source que utiliza o mesmo princípio funcional do FDM é a

RepRap, como é apresentado na Figura 2.14. O tipo de material utilizado nesta

tecnologia é, normalmente, ABS, HDPE (Polietileno de alta densidade), poli(acido

lático) e PCL (policaprolactona) (BOWYER, 2008).

Figura 2.13 - Sistema FDM Fab@home (MALONE e LIPSON, 2006)

Exemplos de peças fabricadas pelas tecnologias Fab@Home e RepRap são

apresentadas na Figura 2.15 e na Figura 2.16, onde é possível observar uma baixa

precisão, em comparação com FDM comercial fabricado pela empresa Stratasys.

Figura 2.14 - Sistema FDM RepRap (BOWYER, 2008)


Figura 2.15 - Exemplo de peças construidas em silicone por Fab@home (LIPSON e MALONE, 2008)

Figura 2.16 – Exemplos de peças construídas em policaprolactona por RepRap (BOWYER, 2008)

2.1.2 Estereolitografia (SL)

Um dos tipos de RP mais difundidos é a SL (KREITH, 1999; BARTON e

FULTON, 2000; VOLPATO, 2007), que é um dos processos RP baseado em

materiais fotopoliméricos cujo funcionamento depende do movimento de um feixe de

laser sobre um recipiente inundado de material. Este feixe percorre os eixos X e Y a

fim de construir a camada previamente criada e calculada computacionalmente.

Logo após concluir a camada, como é representado na Figura 2.17, a

plataforma que suporta a camada de material polimerizado inicial é abaixada para a

construção da próxima camada sobre a anterior. Ao final da construção de todas as

camadas a peça sofre uma pós-polimerização em forno externo, onde ganha

resistência mecânica, visto que a polimerização resultante deste processo gera

taxas de polimerização entre 80 e 95% (KREITH, 1999; BARTON e FULTON, 2000;

VOLPATO, 2007).


Os materiais mais utilizados nesta tecnologia são baseados, basicamente, em

materiais fotopoliméricos, como acrílicos e epóxis (BARTON e FULTON, 2000;

VOLPATO, 2007). Contudo, a concepção do principio funcional desta tecnologia é

fundamentada em materiais susceptíveis à solidificação em função de: feixes de

elétrons; radiação, feixe de partículas de alta energia, raio-x e feixe de luz UV

(HULL, 1984 ).

Isto pode ser observado na reivindicações 4, 5, 6, 7 e 8 da patente relacionada

à SL (HULL, 1984 ), como é apresentado abaixo.

“4. A system as set forth in claim 2, wherein said reaction means includes: a beam of impinging radiation.

5. A system as set forth in claim 2, wherein said reaction means includes: an electron beam. 6. A system

as set forth in claim 2, wherein said reaction means includes: a beam of high energy particles.

7. A system as set forth in claim 2, wherein said reaction means includes: a beam of light.

8. A system as set forth in claim 2, wherein said reaction means includes: x-rays.

9. A system as set forth in claim 2, wherein said reaction means includes: a beam of ultraviolet light

(HULL, 1984 ).

Figura 2.17 – Esquema de funcionamento de Estereolitografia (VANDRESEN, 2004)

Ao analisar a seção transversal de uma linha única gerada por esta tecnologia,

pode-se observar um formato cilíndrico parabólico, conforme apresentado na Figura

2.18, sendo que a largura desta seção (Lw) normalmente se encontra entre 0,13 e

0,27mm, em função do diâmetro do feixe de laser, enquanto e a altura (Cp) em


relação à profundidade de penetração do material normalmente se apresenta entre

0,1 e 0,5mm (JACOBS, 1992; TANG, 2005; SIM et al., 2007).

Figura 2.18 - Representação de seção transvesal de uma linha única gerada por SLA (JACOBS, 1992; TANG, 2005)

O tipo de laser geralmente utilizado nesta tecnologia tem potência entre 10 e

20mW, tendo comprimento de onda de 325nm (JACOBS, 1992; TANG, 2005; SIM et

al., 2007).

Desta forma, pode-se observar a interação entre filamentos no sentido vertical

e horizontal, conforme apresentado na Figura 2.1. Contudo, em função do processo

de pós-cura, não são gerados vazios na peça (VOLPATO, 2007).

Tabela 2.1 - Tabela de tipos de interações entre filamentos de SL (TANG, 2005)

Filamento único Filamentos na horizontal

Filamentos na vertical

Tipo

de

Inte

raçã

o


2.1.3 Inkjet Print (IJP)

Outra tecnologia que utiliza o princípio de fotopolimerização é a IJP, sendo

desenvolvida inicialmente pela PolyJet, da Objet Geometries, em 2002 (VOLPATO,

2007; OBJET, 2008), seguido pela Invision, da 3d System, em 2003.

Embora utilizem materiais semelhantes ao SL, baseados em materiais

fotopoliméricos, como acrílicos e epóxi, seus princípios de funcionamento diferem.

O processo utilizado pela Polyjet consiste no depósito seletivo de material

fotopolimérico através de gotículas geradas por um cabeçote de impressão, que se

move no sentido X e Y. Simultaneamente a este depósito, as gotículas são

polimerizadas por lâmpadas ultravioleta (UV), ao invés de utilizar laser UV, como no

SL. Após depositada cada camada, a mesma é nivelada através de uma lâmina de

corte e, então, a plataforma é deslocada no sentido Z para construção de uma nova

camada (GOTHAIT, 1999; MARGOLIN, 2006; VOLPATO, 2007; OBJET, 2008). Na

Figura 2.19 é ilustrado processo de RP da Polyjet.

Figura 2.19 - Esquema de funcionamento de IJP (OBJET, 2008)

Além de depositar o material de construção da peça, a resina fotocurável, o

cabeçote deposita outro material, de suporte para regiões vazias, cujas propriedades

são inferiores ao primeiro, possibilitando a construção de uma camada sobre esta

região (GOTHAIT, 1999; MARGOLIN, 2006; VOLPATO, 2007; OBJET, 2008).


Segundo GRIMM (2005), este processo tem faixa média de desvio dimensional

entre 0,28 e 1,715mm.

O processo utilizado pela Invision, que é a segunda geração da família de

produtos Multi-Jet Modeling da 3d Systems, deposita de forma seletiva o material,

cuja polimerização do material é fotoiniciada por flashes de luz UV (SCHMIDT, 2002;

MARGOLIN, 2006).

Este processo é dividido, em duas etapas, sendo que na primeira o material

não curado é depositado seletivamente em gotículas, sobre um substrato, sendo

modificada sua estrutura para um estado não escoavel em função da temperatura.

Num segundo momento, este é curado (SCHMIDT, 2002).

O interação entre as gotículas depositadas seletivamente por este tipo de

processo, em ambos os casos (Invision e Polyjet), pode ser observado na Figura

2.20.

Figura 2.20 – Formação de linhas em função de frequência de deposição (MARGOLIN, 2006)


2.1.4 Comparativo entre tecnologias RP

Em função da existência de vantagens e desvantagens em cada tecnologia

apresentada neste capítulo, apresenta-se um comparativo entre estas, baseadas no

estudo realizado por GRIMM (2003), assim como uma discussão sobre as mesmas.

Neste estudo, foram analisados aspectos dimensionais, de processo e de qualidade,

criando uma idéia de comparação entre estas tecnologias.

Em relação às características de processo analisadas, a Figura 2.21 apresenta

um comparativo entre os tempos médios de fabricação (processamento) de mesmas

peças construídas através de FDM (Dimension - Stratasys), SL (Viper Si2 – 3D

Systems) e IJP (QuadraTempo – Objet Geometries), assim como o tempo de

pós-processamento das mesmas (GRIMM, 2003).

0

1

2

3

4

5

6

7

FDM IJP SL

Tem

po(h

)

processamento pós-processamento

Figura 2.21 - Comparativo entre tempo médio de fabricação de peças fabricadas por FDM, IJP e SL (GRIMM, 2003)

A partir deste gráfico, pode-se observar que a tecnologia que apresentou maior

tempo para construção de peças (processamento + pós-processamento) foi a SL,

apesar de ter tempo de processamento menor que o FDM. Isto se deve à pós cura

de peças após o processamento.

Entre as tecnologias analisadas, a que teve melhor desempenho em relação ao

tempo de fabricação de peças foi a IJP.


Em relação à característica dimensional, a média de desvios dimensionais

médios e desvios padrão de peças fabricadas em FDM, IJP e SL são apresentados

na Figura 2.22 (GRIMM, 2003). Neste gráfico, é possível observar que, apesar de ter

menor tempo de fabricação de peças, a IJP obtém valores de desvio dimensional

superiores ao de SL e FDM.

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

FDM IJP SL

Des

vio

abso

luto

(mm

)

Figura 2.22 - Comparativo entre desvios dimensionais de peças fabricadas por FDM, IJP e SL (GRIMM, 2003)

Adicionalmente, em ambos os casos analisados, o FDM obteve valores

intermediários entre SL e IJP, tanto para o tempo de fabricação quanto para o desvio

dimensional.

Outro aspecto analisado no referido estudo foi à qualidade superficial das

peças fabricadas por FDM, IJP e SL. Para análise quantitativa deste parâmetro entre

as tecnologias analisadas, foi observada a rugosidade superficial média, sendo

apresentada na Figura 2.23. Nesta figura, a tecnologia que obteve maior rugosidade

foi o FDM, enquanto os valores de IJP e SL mantiveram-se inferiores a 1 µm.

Isto se deve, em função do tipo de material e processo utilizado para a

construção da peça. Onde é possível diferenciar o processo FDM, que é baseado

em materiais sólidos, do IJP e SL, que utilizam materiais fotopoliméricos líquidos.

Desta maneira, é possível associar o alto valor de rugosidade apresentada pelo

FDM, em comparação com IJP e SL, com a alta quantidade de vazios gerados no

processo (entre camadas, entre filamentos, entre contorno e preenchimento,

conforme apresentado anteriormente.


0

1

2

3

4

5

6

7

8

FDM IJP SL

Ra(

um)

Figura 2.23 - Comparativo entre qualidade superficial de peças fabricadas por FDM, IJP e SL (GRIMM, 2003)

2.2 Materiais Fotopoliméricos

Esta revisão se divide em cinco partes relacionadas à caracterização de

materiais fotopoliméricos, aos compostos envolvidos em suas polimerizações, aos

parâmetros de controle e às propriedades.

2.2.1 Definições

Assim como outro polímero qualquer, materiais fotopoliméricos são

macromoléculas formadas por ligações intermoleculares de moléculas menores. No

caso de materiais fotopoliméricos estas ligações são ativadas por luz visível

(CALLISTER, 2003; ODIAN, 2004).

Sistemas de fotopolimerização geralmente envolvem alguns compostos que

alteram as propriedades mecânicas, físicas e químicas do material, devido a

porcentagem de cada composto na sua formulação. Normalmente são utilizados os

compostos: a) monômero (15-16% no peso); b) fotoiniciador (1-15% no peso); c) co-

iniciador (1-3% no peso); d) oligômero (25-90% no peso); e) e aditivos (1-50% no

peso) (RODRIGUES e NEUMANN, 2003; SARTOMER, 2004).


2.2.2 Compostos

2.2.3 Monômeros

Monômeros são compostos cujas moléculas ligam-se afim de formar uma

macromolécula. Um monômero pode ter seus meros interligados por diversos meios

(BRANDRUP et al., 1999; CALLISTER, 2003; ODIAN, 2004; SPERLING, 2006). Um

exemplo disso é o metacrilato de metila (MMA) que pode se polimerizar de forma

radicalar de adição ou iônica de adição, ambas detalhadas ao longo desta seção

(ANDREAJEWSKA, 2001; FOUASSIER et al., 2003; ODIAN, 2004; KRICHELDORF

et al., 2005).

Um monômero apropriado para utilização no processo de fotopolimerização

pode ser caracterizado pelos grupos funcionais com duplas ligações entre átomos de

carbono contidos em suas cadeias. Entretanto existem outros grupos funcionais

também apropriados, como epóxi, material amplamente utilizado em aplicações RP

(BARTON e FULTON, 2000; ODIAN, 2004). A Figura 2.24 representa os principais

grupos funcionais utilizados nos processos de fotopolimerização, segundo

Odian (2004).

Figura 2.24 - Exemplo dos principais grupos funcionais apropriados à fotocura: a)

dupla-ligação entre oxigênio e carbono; b) dupla-ligação entre átomos de carbono;

c) anel epóxi (ODIAN, 2004)


2.2.4 Oligômero

Oligômero é um composto viscoso que é também encontrado após os meros

começarem a se unir (CALLISTER, 2003; ODIAN, 2004; SARTOMER, 2004).

Embora a faixa de meros que compõe sua cadeia, que se encontra entre 2 e 20

meros por cadeia, o defina, seu peso molecular também o faz até o limite de

8000 g/mol (SARTOMER, 1998; JASTY, 1999).

O aumento de cadeia de moléculas de monômero ou oligômero depende de

outro composto chamado fotoiniciador. Este por sua vez é definido por ativar a

polimerização quando exposto a luzes visíveis, entre 250 e 400 nm (Jasty, 1999;

Matyjaszewski e Davis, 2002; Ciba, 2003; Rodrigues e Neumann, 2003; Odian,

2004).

2.2.5 Fotoiniciadores e Co-iniciadores

Fotoiniciadores que iniciam polimerizações radicalares, apresentadas na seção

2.2.8, podem ser divididos em duas classes Tipo I e Tipo II. O fotoiniciador Tipo I

gera radicais por fotofragmentação direta unimolecular, como pode ser observado na

Figura 2.25. O fotoiniciador do Tipo II o faz por reações bimoleculares, onde o

fotoiniciador somente gera radical quando em meio a outro componente, chamado

co-iniciador ou fotosensibilizador (JASTY, 1999; MATYJASZEWSKI e DAVIS, 2002;

YURTERI, SEDA et al., 2002; CIBA, 2003; RODRIGUES e NEUMANN, 2003;

ODIAN, 2004; KRICHELDORF et al., 2005).

Figura 2.25 - Representação de geração de fotofragmentação (MATYJASZEWSKI

e DAVIS, 2002)


Além dos fotoiniciadores baseados em polimerização radicalar, existem

fotoiniciadores que iniciam polimerizações iônicas, onde a luz gera íons que terão

função de acrescer meros à cadeia polimérica quando em presença de um

eletrodoador, (Figura 2.26). Este tipo de polimerização tem rápido crescimento de

cadeia, entretanto seu controle é muito difícil, com baixa repetibilidade

(Andreajewska, 2001; Archer, 2001; Rodrigues e Neumann, 2003; Odian, 2004;

Kabatc e Paczkowski, 2006).

Figura 2.26 - Representação de geração de íons utilizados em fotocura (MATYJASZEWSKI e DAVIS, 2002)

O co-iniciador é um composto necessário tanto para iniciadores Tipo II, quanto

para iniciadores iônicos, visto que esse necessita de eletrodoador. Normalmente, em

casos de fotoiniciadores Tipo II, utiliza-se aminas para, em conjunto com o iniciador,

iniciar a polimerização do monômero ou oligômero (JASTY, 1999;

ANDREAJEWSKA, 2001; MATYJASZEWSKI e DAVIS, 2002; ODIAN, 2004;

KRICHELDORF et al., 2005). A eficácia da polimerização Tipo II é em grande parte

influenciada pelo tipo de amina utilizada como co-iniciador, conforme exemplo da

Figura 2.27 (JASTY, 1999; ANDREAJEWSKA, 2001; MATYJASZEWSKI e DAVIS,

2002; ODIAN, 2004; KRICHELDORF et al., 2005).

Figura 2.27 - Exemplo de amina terciária, Benzophenone/ N,N-dimethyl aniline (MATYJASZEWSKI e DAVIS, 2002)


Outros co-iniciadores que também reagem com iniciadores Tipo II são: álcool,

amidas, aminoácidos e eters (ODIAN, 2004). Para fotocura iônica os mais comuns

co-iniciadores utilizados são sais de ônio (MALMSTRIJM et al., 1995; JASTY, 1999;

YURTERI, S. et al., 2002; CIBA, 2003; ODIAN, 2004; KABATC e PACZKOWSKI,

2006).

2.2.6 Aditivos

Aditivos são componentes químicos que auxiliam a aumentar propriedades

mecânicas e químicas dos materiais (RODRIGUES e NEUMANN, 2003;

SARTOMER, 2004).

2.2.7 Fabricantes

Entre companhias envolvidas com fotopolimerização, foram separadas

algumas que estão atuam na fabricação e fornecimento de matéria-prima para

processo de fotopolimerização, conforme apresentado na Tabela 2.2,Tabela 2.3 e

Tabela 2.4 (RADTECH, 2008).

Tabela 2.2 - Relação de fabricantes de monômeros e oligômeros (RADTECH, 2008)

Monômero/oligômero

Empresa Basf ag Cognis france

Hang cheung petrochemical

limited

Igm resins

bv Jobachem

gmbh Lambson group ltd

Mirage inks ltd

Rahn ag

Sartomer europe

Pais Alemanha França China Holanda Alemanha Inglaterra Inglaterra Suécia Itália

Tabela 2.3 - Relação de fabricantes de aditivos (RADTECH, 2008)

Aditivos

Empresas Byk-

chemie

Ciba spec.

Chemicals Cognis france

Degussa ag tego coating

Grace gmbh

Hang cheung petrochemical

limited Kromachem

ltd Lambson group ltd

Mirage inks ltd

Pais Alemanha Holanda França Alemanha Alemanha China Inglaterra Inglaterra Inglaterra


Além destas empresas citadas existem companhias que, embora não sejam

especializadas em fotopolimerização, são fabricantes de produtos químicos, e

conseqüentemente fabricantes de compostos utilizados em fotopolimerização.

Tabela 2.4 - Relação de fabricantes de fotoiniciadores para polimerização (RADTECH, 2008)

Fotoiniciador

Empresa Pais Empresa Pais Empresa Pais Empresa Pais

Akzo Nobel Dinamarca Lambson group ltd Inglaterra

Jobachem gmbh Alemanha

Ciba specialités chimiques sa França

Basf ag Alemanha Rahn ag Suécia Lamberti

spa Itália Ciba spec. Chemicals Brasil

Dow europe gmbh Suécia

Shinyoung rad. Chem.

Ltd. Coréa Lamberti

spa Itália Prod.chim.auxil.et

synthèse França

Igm resins bv Holanda Akzo nobel Dinamarca

Lamberti spa Itália

Ciba spec. Chemicals Holanda

Jobachem gmbh Alemanha

Ciba spec. Chemicals Itália

Lambson group ltd Inglaterra Lambson group ltd Inglaterra

2.2.8 Fases da polimerização

Em contraste com métodos de polimerização tradicionais, a fotopolimerização é

vantajosa em relação à: a) velocidade de polimerização; b) o alto peso molecular;

c) taxas de conversão próximas a 100%; d) fácil controle atmosférico; e) baixa

energia de polimerização. Entretanto a fotocura é limitada pela baixa penetração da

energia luminosa através da espessura de material (BRANDRUP et al., 1999;

MATYJASZEWSKI e DAVIS, 2002; RODRIGUES e NEUMANN, 2003; ODIAN,

2004). Um exemplo disto é o material Accura 10, utilizado na SL, que tem

profundidade de penetração de 0,18mm (3DSYSTEMS, 2007).

Em geral, os tipos de polimerização são divididos primeiramente em

polimerização por adição e por condensação. Entre estes tipos, a fotopolimerização

é classificada como polimerização por adição. Uma subclassificação divide os tipos

de fotopolimerizações em: a) radicalar; b) iônica, c) ou por abertura de anéis, devido

ao tipo de cinética que estas apresentam (BRANDRUP et al., 1999; JASTY, 1999;

MATYJASZEWSKI e DAVIS, 2002; FOUASSIER et al., 2003; ODIAN, 2004;

KRICHELDORF et al., 2005).


Fotopolimerização Radicalar

Esta classificação de polimerização pode ocorrer de duas formas, devido ao

tipo de fotoiniciador utilizado, a fotopolimerização radicalar do Tipo I ou Tipo II.

As fases do processo de polimerização podem ser divididas em: a) iniciação,

onde são geradas espécies ativas b) propagação, onde é realizada a quebra da

dupla ligação por fotofragmentação ou a abstração de átomos de hidrogênio (redox),

no caso da fotopolimerização do Tipo I, e por transferência de elétrons, no caso da

fotopolimerização do Tipo II; c) transferência, onde são acrescidas moléculas à

cadeia polimérica; d) terminação, onde são inibidas as espécies ativas; como pode

ser observada na Figura 2.28 (BRANDRUP et al., 1999; ANDREAJEWSKA, 2001;

MATYJASZEWSKI e DAVIS, 2002; FOUASSIER et al., 2003; ODIAN, 2004;

KRICHELDORF et al., 2005) .

Figura 2.28 – Fases e tipos de de fotopolimerização radicalar, onde fotofragmentação e abstração são referêntes ao Tipo I e a transferência de eletrons

ao Tipo II (KRICHELDORF et al., 2005)

Na Figura 2.28, PI é o fotoiniciador; PI* é a espécie ativa gerada pelo

fotoiniciador após exposição em luz; R1*, R2* e A* são radicais livres; M é o

monômero; AH é um co-iniciador; PIH é o radical livre resultante do fotoiniciador

após abstração de H.


Fotopolimerização Iônica

Em meio às diferenças entre polimerização radicalar e iônica está o tipo de

grupo funcional apropriado para polimerização, sendo que a quebra de ligações é de

forma heterolítica, em vez de homolítica, como é representado na Figura 2.29

(ANDREAJEWSKA, 2001; MATYJASZEWSKI e DAVIS, 2002; RODRIGUES e

NEUMANN, 2003; ODIAN, 2004; KRICHELDORF et al., 2005)

Figura 2.29 - Representação de tipos de quebra de ligação, onde a)heterolítica; b)dupla ligação; c)homolítica (ODIAN, 2004)

Embora ambos os casos apresentem alta velocidade de polimerização, a iônica

é muito mais rápida. Contudo a polimerização iônica tem difícil controle e baixa

repetibilidade em função da sensibilidade perante impurezas em concentrações

muito baixas (ANDREAJEWSKA, 2001; ARCHER, 2001; YURTERI, S. et al., 2002;

ODIAN, 2004).

Uma representação da cinética de fotopolimerização iônica é apresentada na

Figura 2.30.

Figura 2.30 - Representação de fases de polimerização iônica, propagação, transferência e terminação, respectivamente (RODRIGUES e NEUMANN, 2003)


Polimerização por abertura de anéis (Ring-opening polymerization)

A polimerização chamada de polimerização por abertura de anéis, cujos grupos

funcionais apropriados são éter, acetais, amidas (lactams), ésteres (lactones),

siloxanos, aminas, sulfetos, olefinas, como é apresentado na Figura 2.31

(MUKHERJEE, 1978; ANDREAJEWSKA, 2001; ARCHER, 2001; MATYJASZEWSKI

e DAVIS, 2002; ODIAN, 2004; KRICHELDORF et al., 2005).

Figura 2.31 - Exemplos de grupos funcionais de polimerização por abertura de anéis (ODIAN, 2004)

Este tipo de polimerização geralmente é iniciada pelos mesmos iniciadores

utilizados em polimerização iônica, gerando espécies ativas para as fases seguintes

da polimerização, propagação, transferência e terminação, como é representado na

Figura 2.32 (MATYJASZEWSKI e DAVIS, 2002; ODIAN, 2004; KRICHELDORF et

al., 2005). Estes tipos de polimerização são conhecidos por apresentarem taxas de

polimerização mais rápidas que os radicalares, tendo como principal material o

baseado em epóxi (éter) (DECKER et al., 2001).


Figura 2.32 - Representação da propagação proveniente da abertura do anél epóxi (ODIAN, 2004)

2.2.9 Parâmetros de controle de fotopolimerização

Através das leis fundamentais da fotoquímica, pode-se definir a intensidade de

luz absorvida por uma solução em um segundo, e assim o número de moléculas

iniciadas por segundo, conforme é apresentado na Equação 2.1 e Equação 2.2. A

partir destas definições pode-se encontrar a taxa de polimerização induzida por luz

(MUKHERJEE, 1978; COYLE, 1986; MEZAKI e MA, 1997; MATYJASZEWSKI e

DAVIS, 2002; RODRIGUES e NEUMANN, 2003; ODIAN, 2004)

aIRi ⋅⋅= φ2 Equação 2.1

)101(' ][0

lCa II ⋅⋅−⋅= ε Equação 2.2

Onde Ri é a taxa de iniciação, e aI é a intensidade de luz absorvida por mol

em 1 segundo e φ o número de moléculas excitadas por fóton absorvido.

Adicionalmente, ][C é a concentração de fotoiniciador, com unidade 3/ dmmol , e l é

a espessura de camada, em metros (MUKHERJEE, 1978; COYLE, 1986; MEZAKI e

MA, 1997; MATYJASZEWSKI e DAVIS, 2002; RODRIGUES e NEUMANN, 2003;

ODIAN, 2004).

Nestas fórmulas, 'aI e 0I , Equação 2.2, são intensidades baseadas em área

(com unidade scm

mol⋅2 ), aI , Equação 2.3, mostra intensidade baseada no volume

(com unidade scm

mol⋅3 ), onde ε é o coeficiente de extinção, coeficiente baseado no

coeficiente de absorção, Equação 2.4 (MUKHERJEE, 1978; COYLE, 1986; MEZAKI


e MA, 1997; MATYJASZEWSKI e DAVIS, 2002; RODRIGUES e NEUMANN, 2003;

ODIAN, 2004).

lCaa eIC

dldI

I ⋅⋅−⋅⋅⋅⋅== ][30 10][

' αα Equação 2.3

303.2αε = Equação 2.4

A partir destas definições, pode-se encontrar a taxa de polimerização baseada

na concentração de monômero, espessura ou volume, e intensidade de energia

luminosa, Equação 2.5 (MUKHERJEE, 1978; COYLE, 1986; MEZAKI e MA, 1997;

JASTY, 1999; LEMEE et al., 1999; MATYJASZEWSKI e DAVIS, 2002; RODRIGUES

e NEUMANN, 2003; ODIAN, 2004).

21

][ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅⋅=

tpp k

RiMkR Equação 2.5

O tempo de polimerização pode ser encontrado a partir da Equação 2.6, onde

[P] é a concentração de polímero após exposição em UV.

pRPT ][

= Equação 2.6

Pela maioria das fontes luminosas definirem o fluxo de luz em

potência (sJW = ), e intensidade de luz definida nas fórmulas acima citadas em

quantum por área por segundo, pode-se relacionar estas duas unidades através das

fórmulas representadas na Equação 2.7, Equação 2.8 e Equação 2.9 (MUKHERJEE,

1978; COYLE, 1986; MEZAKI e MA, 1997; JASTY, 1999; LEMEE et al., 1999;

MATYJASZEWSKI e DAVIS, 2002; RODRIGUES e NEUMANN, 2003; ODIAN,

2004).


[ ] [ ]WPotêncianmsm

einsteinI ⋅⋅=⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

⋅λ36,82 Equação 2.7

[ ] [ ]WPotêncianmsm

quantaI ⋅⋅⋅=⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

⋅λ24

2 1003,5 Equação 2.8

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

⋅⋅

=sm

einsteinI a 2

810196,1λ

Equação 2.9

Outra característica de grande importância no processo de fotopolimerização é

a faixa de comprimento de onda da luz, visto que cada iniciador reage de forma

diferente a cada faixa. Um exemplo disso é apresentado na Figura 2.33, onde o

comprimento de onda mais eficaz é 260 nm (MUKHERJEE, 1978; COYLE, 1986;

MEZAKI e MA, 1997; JASTY, 1999; LEMEE et al., 1999; MATYJASZEWSKI e

DAVIS, 2002; RODRIGUES e NEUMANN, 2003; ODIAN, 2004).

Figura 2.33 - Espectro de absorção de IRGACURE 651, 99,9%(JASTY, 1999)


Métodos de Caracterização

A Gravimetria é um método de determinação de taxa de polimerização que

consiste em encontrar a taxa de monômero convertido em polímero através de

amostras de material expostas à luz UV. Após a exposição destas amostras à UV

em tempos determinados, o polímero é isolado por precipitação através de adição de

um não-solvente à solução. A quantidade de polímero gerado é encontrada após

secagem de alíquotas destas amostras por meio de filtragem. Esta técnica é a mais

utilizada em pesquisas pela facilidade de realização do ensaio, apesar do tempo de

aquisição dos dados serem altos (MUKHERJEE, 1978; MATYJASZEWSKI e DAVIS,

2002; RODRIGUES e NEUMANN, 2003; ODIAN, 2004; SPERLING, 2006).

Outro método de aquisição de dados para determinação da velocidade de

polimerização é a espectrometria. Este método é baseado no aparecimento de

polímero ou desaparecimento de monômero através de infravermelho (IR), UV ou

ressonância magnética nuclear (RMN), entre outras espectrometrias. Um exemplo

disso é o escaneamento do desaparecimento de duplas ligações em um período de

tempo, no caso de polímeros vinílicos (MUKHERJEE, 1978; MATYJASZEWSKI e

DAVIS, 2002; JUNIOR et al., 2003; LEE et al., 2003; MIYASAKA et al., 2003;

RODRIGUES e NEUMANN, 2003; ODIAN, 2004; SPERLING, 2006).

Outros dois métodos também amplamente utilizados, tanto sozinhos quanto em

conjunto com outros métodos, como espectrometria, são a dilatometria, onde é

observada a dilatação da solução enquanto está polimerizando, e a calorimetria, que

relaciona a energia emanada pela solução em um período estipulado com a

concentração de polímero formada (MUKHERJEE, 1978; MATYJASZEWSKI e

DAVIS, 2002; RODRIGUES e NEUMANN, 2003; ODIAN, 2004; SPERLING, 2006).

Todavia, mais informações sobre os métodos apresentados podem ser

encontrados na literatura citada.


2.3 DoE (Design of Experiments)

Nesta seção é apresentada, de forma simplificada, a metodologia de

planejamento e análise de experimentos chamada DoE (Design of Experiments),

assim como os termos utilizados na mesma.

2.3.1 Conceitos Gerais de Experimentação

O DoE (Design of Experiments, DOE) é uma metodologia de planejamento e

análise de experimentos multivariados utilizada, principalmente, para investigar três

tipos essenciais de problemas: mapeamento, otimização e teste de robustez.

Através desta metodologia é possível identificar os principais efeitos das variáveis,

assim como suas faixas mais adequadas (ERIKSSON et al., 2000).

Para melhor entendimento da aplicação das técnicas de planejamento e

análise de experimentos, faz-se necessário apresentar alguns conceitos e termos

fundamentais (MONTGOMERY, 1991; GALDÁMEZ, 2002; BUTTON, 2005)

• Variáveis de Resposta: são as variáveis dependentes que sofrem algum efeito

nos testes, quando estímulos são introduzidos propositalmente nos fatores

que regulam ou ajustam os processos. Nos experimentos, podem existir uma

ou mais variáveis de resposta (y).

• Fatores de Controle: são os fatores alterados deliberadamente no experimento,

cujo principal objetivo é avaliar o efeito produzido nas variáveis de resposta e,

com isso pode-se determinar os principais fatores do processo experimental

(qualitativo ou quantitativo).

• Fatores de Ruído: são fatores conhecidos ou não, que influenciam as variáveis

de resposta do experimento, os quais deve-se e deseja-se evitar.

• Níveis dos Fatores: são as condições de operações de fatores de controle

experimentais. Geralmente são identificados por nível baixo (-1) e nível alto

(+1).

• Tratamento: é o resultado de cada combinação dos níveis de controle.


• Efeito Principal: é a diferença média observada na resposta quando se muda o

nível do fator de controle investigado.

• Efeito de Interação: é a metade da diferença entre os efeitos principais de um

fator nos níveis de outro fator.

• Matriz de Experimentos: matriz construída para conduzir os experimentos, na

qual os fatores de controle, os níveis e tratamentos do experimento estão

inseridos.

• Aleatorização: é o processo de definir a ordem dos tratamentos da matriz

experimental, através de sorteio ou por limitações específicas dos testes.

• Repetição: é o processo de repetir cada uma das combinações (linhas) da

matriz experimental sob as mesmas condições de experimentação, permitindo

encontrar uma estimativa do erro experimental que é utilizada para determinar

se as diferenças observadas entre os dados são estatisticamente

significativas.

• Blocos: porções do material experimental que têm como característica o fato de

serem mais homogêneos que o conjunto completo do material analisado. Tal

técnica é utilizada para controlar e avaliar a variabilidade pelos fatores

perturbadores (controláveis ou não controláveis) dos experimentos, e procura-

se criar um experimento (grupo ou unidades experimentais balanceadas) mais

homogêneo, aumentando-se a precisão das respostas que são analisadas.

2.3.2 Técnicas para Definição da Seqüência de Ensaios

Com objetivo de avaliar erros experimentais que afetam os resultados dos

experimentos, são feitas algumas recomendações para a elaboração do

planejamento dos experimentos do DoE: o uso de réplicas, aleatorização e criação

de blocos (ERIKSSON et al., 2000; BUTTON, 2005).

O uso de réplicas é caracterizado pela repetição de um ensaio com a finalidade

de observar a estimativa de como o erro experimental afeta os resultados dos


ensaios e se esses resultados diferem significativamente (ERIKSSON et al., 2000;

BUTTON, 2005).

A aleatorização: é uma ferramenta estatística do planejamento de

experimentos que determina a ordem de realização dos experimentos de forma

aleatória, com objetivo de prevenir erros provenientes de fatores de ruídos, como por

exemplo o aquecimento de equipamento numa seqüência de experimentos

(ERIKSSON et al., 2000; BUTTON, 2005).

A criação de blocos é utilizada para aumentar a precisão dos experimentos,

reduzindo a influência de variáveis de processo não tangíveis ou incontroláveis.

2.3.3 Planejamento Fatorial

Dentre os diversos tipos de metodologias existentes atreladas ao

DoE (Tratamento em pares, Tratamento em blocos, Quadrado Latino, Quadrado

Greco-Latino, Quadrado Hiper-Greco-Latino, Experimentos Fatoriais), o

Planejamento Fatorial se destaca, por ser utilizado para problemas de mapeamento

e otimização (ERIKSSON et al., 2000; BUTTON, 2005).

A formulação do problema, utilizando esta metodologia, é constituída de seis

itens a serem definidos: objetivo experimental, fatores de controle, fatores de

resposta, modelo estatístico, tipo de experimento e matriz de experimentos

(ERIKSSON et al., 2000).

Ao serem definidos os objetivos experimentais, que definem o propósito dos

experimentos, são definidos os fatores de controle e resposta do

problema (processo) a ser analisado. Em seguida, são definidos os modelos

estatísticos que nortearão a análise dos resultados dos experimentos, assim como o

tipo de experimento. Por fim, é gerada uma matriz de experimento, que norteará a

realização e coleta dos resultados dos experimentos (ERIKSSON et al., 2000;

BUTTON, 2005).


Os valores a serem definidos para os fatores de controle (x) podem ser

quantitativos ou qualitativos, podendo ser divididos por nível. Estes níveis

normalmente são identificados por nível baixo (-) e nível alto (+) (ERIKSSON et al.,

2000; BUTTON, 2005).

Os valores dos fatores de resposta (y) podem ser definidos como quantitativos,

qualitativos (tipo de resposta sim ou não), e semi-qualitativos (escala de qualidade)

(ERIKSSON et al., 2000; BUTTON, 2005).

Os modelos estatísticos podem ser do tipo linear, de interação ou quadrático,

como pode ser observado na Tabela 2.5, onde 0β , 1β , 2β ...ε são efeitos de cada

fator sobre a resposta (ERIKSSON et al., 2000).

Tabela 2.5 - Tabela de classificação de tipos de modelos estatísticos para realização de planejamento fatorial (ERIKSSON et al., 2000)

Modelo estatístico

Linear εβββ +⋅+⋅+= ...22110 xxy

Interação εββββ +⋅⋅+⋅+⋅+= ...211222110 xxxxy Tipo de modelo

estatístico Quadrático εββββββ +⋅⋅+⋅+⋅+⋅+⋅+= ...21122

222

1122110 xxxxxxy

Estes efeitos são caracterizados pela alteração ocorrida na resposta na

mudança dos fatores do nível baixo(-) para o nível alto(+), como apresentado na

Equação 2.10 (ERIKSSON et al., 2000; BUTTON, 2005).

−+ −= RRefeito Equação 2.10

Sendo:

+R a média dos valores de resposta obtidos com valores altos (+) do fator

−R a média dos valores de resposta obtidos com valores baixos (-) do fator


O efeito principal dos fatores é a diferença média observada na reposta quando

se muda o nível do fator de controle investigado (ERIKSSON et al., 2000; BUTTON,

2005).

Matematicamente o efeito principal pode ser representado pela Equação 2.11:

ab

yyEfeito

principal

)(2

∑ −−∑ +⋅= Equação 2.11

Sendo:

y a média dos efeitos individuais da medida, (+) e (-) corresponde ao nível alto

e nível baixo,

ab o número total de experimentos do planejamento.

Os efeitos de interação são definidos pela metade da diferença entre os efeitos

principais de um fator nos níveis de outro fator. Os valores de interação entre os

fatores também podem ser calculados. Para tal, o efeito de interação entre as

variáveis é obtido levando-se em consideração os sinais já atribuídos às variáveis

envolvidas, como se fosse uma operação matemática de multiplicação.

O erro padrão para os efeitos, também conhecido como erro na determinação

dos efeitos, é o mesmo, tanto para os efeitos principais quanto para os de interação,

e pode ser calculado por meio da equação Equação 2.12.

12 −=

kefeitosErroPadrão Equação 2.12

Sendo:

s o erro na medida (desvio padrão),

k o número de fatores experimentais no planejamento fatorial.

É importante salientar que por ser de valores médios, o erro nos efeitos é

menor que o da medida. Também cabe ressaltar que o erro de uma média de uma


amostragem é sempre menor que do individual de qualquer elemento da

amostragem.

Mínimos quadrados parciais (PLS – Partial Least Square) é um método de

regressão multivariada que permite mensurar a variação das respostas em relação

aos fatores. Este método permite analisar os dados mesmo em face a falta de até

10% dos dados de entrada. Em função desta característica, mesmo quando há uma

coluna de experimentos faltantes, esta coluna é excluída da análise, ou seja, quando

um dos experimentos não funciona, este método permite efetuar a análise geral das

informações.

A definição do tipo de experimento se deve à quantidade de fatores a serem

analisados, podendo ser um planejamento completo ( k2 ), fracionado ou composto

como pode ser observado na Tabela 2.6 (ERIKSSON et al., 2000; BUTTON, 2005).

Tabela 2.6 - Tabela exemplo de tipos de experimentos (ERIKSSON et al., 2000)

2 Fatores 3 Fatores 4 Fatores

Pla

neja

men

to

com

plet

o

Hipercubo

Pla

neja

men

to

fraci

onad

o

Fração balanceada do

Hipercubo

Pla

neja

men

to

com

post

o

Hipercubo + pontos axiais


Vantagens Apresentadas pela Utilização do Planejamento Fatorial de

Experimentos

Segundo Button (2005) e Eriksson (2000), dentre as diversas vantagens da

utilização do planejamento fatorial, cabe ressaltar:

• redução do número de ensaios sem prejuízo da qualidade da informação;

• estudo simultâneo de diversas variáveis, separando seus efeitos;

• determinação da confiabilidade dos resultados;

• realização da pesquisa em etapas, num processo interativo de acréscimo

de novos ensaios;

• seleção das variáveis que influenciam um processo com número

reduzido de ensaios;

• representação do processo estudado através de expressões

matemáticas;

• elaboração de conclusões a partir de resultados qualitativos.

2.4 Discussão sobre a Revisão

Em relação aos assuntos tratados neste capítulo, mostra-se importante o

conhecimento sobre tecnologias de prototipagem rápida (RP) já consolidadas, para

que, desta forma, seja possível realizar comparativos em relação a tecnologia

proposta.

O estudo de FDM se mostrou necessário, visto que esta tecnologia é uma das

mais consolidadas no mercado, assim como esta realiza a construção de peças

através de filamentos, situação parecida com a tecnologia proposta.


Também é possível observar a facilidade de construção e manuseio de

extrusor apresentado na Figura 2.7, visto que seus componentes (seringa e atuador

linear) são materiais fáceis de encontrar.

Já no estudo da SL e da IJP, o que se apresentou como ponto chave do estudo

foi o tipo de material utilizado nestas tecnologias, materiais fotopoliméricos, sendo

desta forma semelhante ao processo apresentado neste trabalho. Contudo, na IJP

pode ser observada uma característica peculiar em relação a SL, a utilização de

lâmpada UV ao invés de laser UV.

A utilização da lâmpada simplifica muito o processo, assim como reduz o custo

do mesmo. Isto acontece em função do custo da lâmpada ser baixo em comparação

com o laser, visto que o custo de aquisição e manutenção do laser ser elevado.

Da mesma forma, como o conhecimento dos processos de fotopolimerização

se mostra importante, em função do desenvolvimento e estudos de caracterização

de material realizados neste trabalho, mostrou-se necessário, para inicio deste

estudo, a realização de uma revisão bibliográfica sobre materiais e processos

envolvidos na fotopolimerização.

O estudo de DoE é importante em função da necessidade de caracterização de

processo, visto que este fundamenta os conceitos de metodologia multivariável

utilizada neste trabalho, possibilitando, desta forma, determinar janelas de processo,

assim como efeitos de fatores de controle sobre fatores de resposta.

Capítulo 3- MATERIAL E MÉTODOS 44

3 MATERIAL E MÉTODOS

Este capítulo apresenta a especificação de materiais, equipamentos e métodos

utilizados na definição e realização dos experimentos que compõem os estudos

apresentados neste trabalho.

3.1 Materiais

Ao serem estudados materiais fotopoliméricos, utilizados na tecnologia de

estereolitografia (SL), foi observado que os principais materiais eram baseados em

epóxi ou acrílico (BUHLER e BELLUG, 1995; BARTON e FULTON, 2000). Materiais

estes que foram investigados de forma mais detalhada no Capítulo 2.

Para a investigação da viabilidade deste projeto, foram realizados

experimentos objetivando o desenvolvimento de um material fotopolimérico cuja

polimerização é iniciada à presença de luz ultravioleta (UV) e com tempo de

polimerização adequado para utilização em tecnologias de prototipagem rápida (RP).

Este desenvolvimento ocorreu em parceria com o laboratório de polímeros do

departamento de Química da Universidade Federal do Paraná (UFPR) e o

Laboratório de eletroquímica do departamento de Química da Universidade

Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR).

3.1.1 Monômeros e Oligômeros

Os experimentos realizados para o desenvolvimento do material foram

baseados nos materiais metacrilato de metila, 99,9%, CN501 e a cola BE 20. A

escolha destes se deve por seguir o padrão de materiais comumente utilizados em

tecnologias RP baseadas em materiais fotopoliméricos, como SL e Inkjet Print(IJP),

conforme apresentado no Capítulo 2. O detalhamento destes materiais é

apresentado a seguir.


Cola BE-20

A Cola BE-20 é um adesivo baseado em metacrilato de metila, fabricado pela

empresa Bérkel Chapas Acrílicas Ltda. Em função do seu tempo de secagem, esta é

utilizada para unir peças feitas de materiais acrílicos, assim como de

poliestireno (PS) e poliestireno de alto impacto (PSAI) (BERKEL, 2008).A

especificação desta é apresentadas na Tabela 3.1.

Tabela 3.1 - Especificação técnica de cola acrílica BE 20

ESPECIFICAÇÃO PROPRIEDADES VALORES*

Min. Max. MÉTODO

Cor, Pt-Co <5 15 DIN/ISO 6271

Pureza, % 99,8 99,9 GLC

Densidade 20oC, g/C3 1,3257 1,3190 1,3258 DIN 51757

Material não volátil, ppm <10 10 DIN 53172

Água, ppm 15 100 DIN 51777 Fonte:(BERKEL, 2008)

Metacrilato de Metila

O metacrilato de metila, apresentado na Figura 3.1, é também conhecido como

MMA (Methyl Methacrylate).

Figura 3.1 - Representação gráfica da estrutura molecular do metacrilato de metila(SIGMA-ALDRICH, 2008a)

Este componente químico é um monômero base para a fabricação de acrílico,

poli(metacrilato de metila), que é um material amplamente utilizado na substituição


de vidro, em função de suas características ópticas, assim como na fabricação de

componentes microeletrônicos (MARK, 1999; ODIAN, 2004; SIGMA-ALDRICH,

2008a).

CN501

O CN501, apresentado na Figura 3.2, é também conhecido por

TMPTA (Trimethylolpropane triacrylate). Este é um oligômero multifuncional, visto

que tem mais de um grupo funcional, sendo estes, três acrilatos (SARTOMER, 2008;

SIGMA-ALDRICH, 2008b).

Figura 3.2 - Representação gráfica da estrutura molecular do CN501(SIGMA-ALDRICH, 2008b)

Por ser um oligômero de viscosidade muito baixa, tendo rápido tempo de

resposta de polimerização e alta reatividade em processos baseados em ultravioleta

(UV) e feixe de elétrons (EB), recomenda-se utilizar o CN501 em tintas em geral,

assim como para melhorar aderência, resistência química e dureza das composições

(SARTOMER, 2007; 2008; SIGMA-ALDRICH, 2008b).

3.1.2 Iniciadores

Para iniciar a fotopolimerização, foram analisados: a) peróxido de benzoila;

b) Irgacure 184 (1 Hydroxycyclohexyl phenyl ketone), c) Irgacure 651 (Alpha-

dimethoxy-alpha-phenylacetophenone); d) Darocur BP (benzofenona).

Estes representam três classes de iniciadores, fotoiniciador radicalar Tipo I,

fotoiniciador radicalar Tipo II e fotoiniciador iônico, cujas classificações foram


detalhadas no Capítulo 2. O objetivo da análise destes é de mapear um material

adequado para aplicações em processos RP em geral, assim como para o RP

proposto.

Peróxido de Benzoila

O peróxido de benzoila, ilustrado na Figura 3.3, é um elemento químico

comumente utilizado na iniciação de termopolimerização, contudo este pode ser

utilizado como fotoiniciador (MATYJASZEWSKI e DAVIS, 2002; ODIAN, 2004).

Quando utilizado como fotoiniciador, o peróxido de benzoila é um fotoiniciador

radicalar do tipo I, cuja forma de geração de radicais livres se deve à abstração de

hidrogênio (ODIAN, 2004).

Irgacure 184

O Irgacure 184, também conhecido como 1 Hydroxycyclohexyl phenyl ketone, é

um foto-iniciador radicalar do tipo I, cuja taxa de absorção de luz e representação

gráfica da estrutura molecular são apresentadas na Figura 3.4.

Sua aplicação, que é amplamente explorada na fabricação de tintas baseadas

em fotopolimerização, se destina a cura de camadas de tinta entre mµ20020 − para

concentrações de 1 a 3% no peso da solução (CIBA, 2001a).

Figura 3.3 - Ilustração da estrutura molecular do Peróxido de benzoila (MATYJASZEWSKI e DAVIS, 2002).


Figura 3.4 –Curva de absorção de luz e representação gráfica da estrutura molecular do Irgacure 184, 99,9% (JASTY, 1999)

Irgacure 651

O Irgacure 651, também conhecido como Alpha-dimethoxy-alpha-

phenylacetophenone, é um fotoiniciador do radicalar do tipo II, cuja taxa de absorção

de luz e representação gráfica da estrutura molecular são apresentadas na Figura

3.5.

Assim como o Irgacure 184, o Irgacure 651 é amplamente utilizado na

fabricação de tintas baseadas em fotopolimerização, sendo também utilizado como

material de preenchimento quando utilizado na concentração de 0,5 a 1% no peso

da solução (CIBA, 2001b).


Figura 3.5 - Curva de absorção de luz e representação gráfica da estrutura molecular do Irgacure 651, 99% (JASTY, 1999)

Darocur BP

O Darocur BP, também conhecido como Benzofenona, 99%, é um fotoiniciador

do radicalar do tipo II, cuja taxa de absorção de luz e representação gráfica da

estrutura molecular são apresentadas na Figura 3.6.

O Darocur BP é um dos mais utilizados fotoiniciadores na indústria de tintas e

pintura, visto que tem baixo preço, e sua utilização auxilia na preservação da

coloração e odor das soluções (CIBA, 1998).


Figura 3.6 - Curva de absorção e representação gráfica da estrutura molecular de benzofenona, 99% (JASTY, 1999)

3.1.3 Solvente e Não-Solvente

Como qualquer outro polímero, os fotopolímeros são suscetíveis à ação de

não solventes e de solventes, onde desta forma, pode-se precipitar ou solubilizar

polímeros e oligômeros (MUKHERJEE, 1978; MATYJASZEWSKI e DAVIS, 2002;

RODRIGUES e NEUMANN, 2003; ODIAN, 2004; SPERLING, 2006).

Sendo assim, foi selecionado, entre diversos solventes e não solventes

próprios para MMA, o etanol como composto solvente e tetracloreto de carbono

como composto não-solvente (MARK, 1999). Embora, a seleção destes tenha sido

feita em função da facilidade de aquisição destes, poderiam ser utilizados outros

componentes.


3.1.4 Câmara de contenção e Reflexão

Para realização dos experimentos de desenvolvimento de material foi utilizada

uma câmara de contenção e reflexão, sendo esta constituída de uma fonte luminosa,

que é posicionada a 30mm das amostras no sentido vertical; uma caixa revestida de

material reflexivo, um sistema de acionamento externo e ventilação (Figura 3.7).

Figura 3.7 - Caixa de contenção e reflexão

3.1.5 Lâmpada de vapor de mercúrio

Componente principal da câmara de contenção e reflexão, a lâmpada de vapor

de mercúrio de 400W (Figura 3.8) é uma fonte luminosa que abrange faixas de

comprimento (λ ) entre 380 e 750 nm , conforme Figura 3.9 .

Para atingir estas faixas, foi preciso retirar o bulbo da lâmpada, visto que, além

de filtrar raios de luz com comprimentos de onda nocivos, o bulbo filtra raios de luz

onde cuja faixa de comprimentos de onda é utilizada no processo de

fotopolimerização (GE, 2007). Em função disto, a utilização desta lâmpada fica

limitada à câmara de contenção e reflexão.


Figura 3.8 - Foto de lâmpada de vapor de mercúrio (400W) sem bulbo

Figura 3.9 - Distribuição espectral de lâmpada de vapor de mercúrio 400W com bulbo (filtro) (GE, 2007)

3.1.6 Lâmpada UV

Para estudo de caracterização de materiais e caracterização de processo RP,

foi utilizada a lâmpada UV de 9W potência, PL-S 9W 10/2P UNP, Figura 3.10. Seu


espectro de emissão, Figura 3.11, concentra-se na faixa UVA, ou seja, entre 350 a

400 nm , faixa não nociva (PHILIPS, 2008).

Figura 3.10 – Foto e ilustração de Lampada UV PL-S 9W 10/2p UNP, onde

A=129mm; B= 144.5 mm; C= 167.5 mm; D= 28mm; D1= 13mm

Figura 3.11 - Espectro emissão de luminosa por comprimento de onda de lâmpada PL-S 9W 10/2P UNP (PHILIPS, 2008)

A seleção desta lâmpada foi realizada em função da faixa de comprimento de

onda desta lâmpada se apresentar dentro das faixas de absorção dos fotoiniciadores

que iniciam a polimerização de materiais, conforme apresentado na seção 3.1.2.

O objetivo da utilização desta lâmpada foi de permitir ao processo de

polimerização acontecer em ambiente externo, ou seja, num ambiente não

controlado pela câmara de contenção e reflexão, onde o operador pudesse

permanecer em exposição. Desta forma, viabilizando sua utilização no equipamento

RP desenvolvido.


3.1.7 Balança eletrônica

Para medição de massa nos experimentos, foi utilizada uma balança eletrônica de 10mg de precisão,

Figura 3.12.

Figura 3.12- Foto de balança eletrônica de10mg de precisão

3.1.8 Molde de Vidro

Para controle de espessura de camada, parâmetro de controle do processo

RP, foram desenvolvidos e fabricados moldes de vidro cujas cavidades são limitadas

por lamínula de 0,12mm de espessura. Conseqüentemente, este molde apresenta

0,12mm de profundidade e 19,36cm2 de superfície de exposição, como é

representado na Figura 3.13. Este moldes foram utilizados somente em conjunto

com a lâmpada UV.

O objetivo da utilização deste molde de vidro é a realização de experimentos

sem a necessidade de utilizar a câmara de contenção e reflexão. Isto se deve à


incidência de luz UV sobre as amostras ser unidirecional. Esta situação difere do

estudo onde foi utilizada a lâmpada de vapor de mercúrio, em conjunto com a caixa

de contenção e reflexão, pois neste, a incidência de raios de luz UV sobre as

amostras, contidas em tubos de ensaio, dá-se por todos os lados.

Figura 3.13 - Ilustração de molde de vidro utilizado em experimentos de tempo de polimerização

3.1.9 Interface de Controle de Intensidade Luminosa

Em função da variação de intensidade luminosa, tanto entre lâmpadas do

mesmo modelo, quanto ao longo da vida útil da lâmpada, foi desenvolvida uma

interface de controle de intensidade luminosa com o objetivo de garantir a

repetibilidade do processo. Este sistema é composto por potenciômetros,

termistores, LEDs, comutador Darling com inversor de sinal e fonte de 5V.

A interface, cujo esquema eletrônico é apresentado na Figura 3.14, tem

funcionamento com resultado baseado num comparativo entre duas medições de

intensidade luminosa, comparando a segunda medição com a primeira, chamada de

calibração. Desta forma, a interface mostrará se houve ou não redução de

intensidade luminosa, aumentando a confiabilidade do processo.


De forma simplificada, a operação desta interface acontece realizando duas

medições, sendo que na primeira medição de intensidade luminosa, é regulada a

interface a ponto de manter ligadas tanto a luz a verde quanto a luz vermelha. Na

segunda medição, o sistema é exposto a uma intensidade luminosa que, ao se

mostrar inferior a da primeira medição, desliga a luz verde. Se este valor for superior

ao da primeira, a luz verde é mantida acesa e é desligada a luz vermelha. E, por

conseqüência, se este valor for igual, são mantidas acesas ambas as luzes.

Figura 3.14 – Esquema eletrônico da interface de controle de intensidade luminosa desenvolvida, onde R é potenciômetro de calibração e T é um LDR (Light Divisor

Resistor)

Esta interface foi utilizada na realização dos experimentos relacionados ao

processo de RP, visto que a quantidade de material envolvida é muito baixa,

fazendo com que a diferença de intensidade luminosa entre lâmpada nova e uma

lâmpada ao final de seu ciclo de vida influenciasse o processo.


3.1.10 Equipamento de Prototipagem Rápida

Em função do estudo de processo RP proposto estar diretamente ligado à

realização de movimentos em tempo real em 2½ eixos, assim como à deposição de

material, ao longo da pesquisa foi necessário desenvolver um equipamento RP

protótipo.

Este equipamento é composto de máquina CNC com controle nos eixos XYZ,

cabeçote extrusor, computador, software de controle e interface de controle.

Entre estes, foi necessário desenvolver o cabeçote extrusor, software de

controle, interface de controle e controle XYZ da máquina CNC.

Máquina CNC com controle em XYZ

Para controle dos movimentos do cabeçote extrusor, foi utilizada uma máquina

CNC de laboratório cuja parte mecânica permite movimentos em 3 eixos, X, Y e Z

(Figura 3.15). Sobretudo, deve-se levar em consideração que o controle XYZ desta

máquina (parte elétrica e eletrônica) foi desenvolvido ao longo deste trabalho.

Figura 3.15 - Foto de Máquina CNC com controle XYZ


Cabeçote Extrusor

Neste trabalho, foi construído um cabeçote extrusor, conforme a concepção

apresentada na Figura 2.7, constituído de um atuador linear fabricado pela Haydon

Switch and Instrument, Inc, com cuja precisão de 0,0006mm/passo, alojamento de

material (seringa), cujo volume máximo de armazenamento é de 5ml, êmbolo de

extrusão e bico extrusor de diâmetro 0,45mm. A lâmpada UV, mencionada

anteriormente, é fixada na parte estrutural do cabeçote extrusor, conforme é


Figura 3.16 - Foto de cabeçote extrusor

Esta concepção foi escolhida em função da facilidade de construção e de

controle do sistema, visto que os materiais utilizados neste trabalho se encontram na

forma líquida.


Computador

Foi utilizado um computador padrão IBM, sendo sua especificação: Pentium III,

com clock de processamento de 600MHz, 256Mb de memória RAM, 4Gb de

memória de disco rígido, 2 entradas USB e uma saída de porta paralela.

Software de controle

Para controle dos movimentos da máquina CNC, assim como acionamento de

cabeçote extrusor e lâmpada UV, foi utilizado o programa TurboCNC, programa

shareware desenvolvido pela empresa DAK Engineering, onde utiliza linguagem ISO

NC para gerenciamento da interface de controle através da porta paralela do

computador (DAEKENG, 2008).

Software de planejamento de processo

Para o planejamento do processo de RP, onde são geradas as trajetórias de

deposição, foi utilizado o programa desenvolvido pela empresa VISCAM, chamado

de RPCAM (VISCAM, 2008). Através deste software é possível exportar as

trajetórias de deposição em código ISO NC.

Interface de Controle

Na Figura 3.17 é apresentada a interface de controle da máquina CNC. Esta

interface, que também foi desenvolvida e construída ao longo deste projeto é

composta por três drives de potência que controlam os motores dos eixos X, Y e do

atuador linear do cabeçote extrusor; um drive de controle de velocidade de

deposição, que controla o drive de potência do atuador linear; um drive de controle,

relês de acionamento de lâmpadas; e 3 entradas de sinal de chaves fim-de-curso.


Além de fazer o controle do eixo Z, faz a interface do sistema com computador,

protegendo, desta forma, o sistema de ruídos externos. Para alimentação do sistema

foram necessárias: duas fontes de 5V/2A; uma fonte 12V/900mA e uma fonte

30V/10A.

Figura 3.17 – Layout de interface de controle desenvolvido para controle de equipamento de RP

3.2 Caracterização de Material

Os experimentos para caracterizar o material fotopolimérico foram realizados a

partir de procedimentos criados para permitir repetibilidade de resultados, conforme

esquematizado na Figura 3.18. Os procedimentos foram baseados no método de

obtenção de tempo de polimerização chamada gravimetria, exposto na seção 2.2.8,


Esta técnica permite observar a quantidade de material (monômero) curado

(convertido em polímero) em função do tempo de exposição. Desta forma, esta se

mostra eficaz e independente da câmara de contenção e reflexão, e do molde de

vidro.

Inicio

Solubilizar iniciador

Material tem iniciador?

Individualizaramostras

Determinarnúmeros de pontos

Fazer experimento ecronometrar

Coletar amostras no tempo determinado

Precipitar polímeroem solvente (1 amostra)

Pesar filtro (tara)

Filtrar solução deamostra

Pesar polímero precipitado no filtro

Existe resíduode polímero?

Dissolver em não solvente

Calcular Massa depolímero

Achar taxa de conversão Mp/Mm

Determinarintervalo de tempo

Plotar GráficoMp/Mm X T

Fim

não

sim simnão

Figura 3.18 - Fluxograma de procedimento de experimento de determinação de tempo de polimerização

3.3 Parâmetros e Controle do Processo RP Proposto

Esta seção apresenta procedimentos, cálculos e definições de parâmetros

iniciais de experimentos de processo de deposição e polimerização.

3.3.1 Controle de Intensidade Luminosa

Visto que a intensidade da fonte luminosa é um dos principais parâmetros no

processo de fotopolimerização, antes do início de todos os experimentos


relacionados ao processo de RP foi utilizada a interface de controle de intensidade

luminosa, conforme apresentado na seção 3.1.9.

Este equipamento foi desenvolvido com o intuito de garantir a repetibilidade

dos experimentos, visto que há grande redução de intensidade ao longo da vida útil

da fonte luminosa.

3.3.2 Velocidade de Extrusão

A velocidade de extrusão do material (Ve ) é determinada pelo deslocamento do

êmbolo da seringa, sendo que este está ligado ao eixo do atuador linear,


Como este atuador linear é composto por um motor de passo cuja

resolução ( P ) varia de 0,0003 a 0,000015 mm por passo, foi determinada a

freqüência dos pulsos de controle deste motor, gerada pela interface de controle,

baseando esta em função da vazão de saída no bico do extrusor e a precisão do

motor de passo

Ao considerar que o diâmetro interno da seringa, 10mm, apresenta-se como

uma constante a vazão do extrusor (0

Ve ) é uma função da freqüência, ou do período

dos pulsos de controle, conforme é apresentado na Equação 3.1, Equação 3.2,

Equação 3.3, Equação 3.4 e na Figura 3.19.


fP 1= Equação 3.1

PsVef =

Equação 3.2

4

20 π⋅⋅=

DiVeVe Equação 3.3

4

20 π⋅⋅=

DiPPs

Ve

Equação 3.4

Onde:

Ve é a velocidade de extrusão (velocidade do êmbolo) (s

mm )

P é período ( segundos )

f é freqüência ( Hz )

Ps é precisão (passomm )

Di é diâmetro interno da seringa ( mm )

0Ve é vazão de extrusão no diâmetro interno da seringa (

smm3

)


Figura 3.19 – Gráfico da vazão(s

mm3

) em função do período (segundos),

considerando a precisão do atuador linear de 0,0006mm,

3.3.3 Velocidade de Deposição

A velocidade de deposição (Vc ), ou seja, a velocidade de deslocamento do

cabeçote extrusor, foi determinada em função da velocidade de polimerização ( Rp ),

assim como da velocidade de extrusão (Ve ), o diâmetro do bico extrusor ( Db ) e a

altura de extrusão ( h ).

Para determinar o comportamento normal do sistema, foi determinado que o

escoamento, que gerará o filamento, segue um formato retangular, como

apresentado na Figura 3.20 e na Equação 3.5.

60

0 hDbVcVb ⋅⋅=

Equação 3.5

Onde:


0Vb é a vazão de extrusão no bico extrusor (

smm3

)

Vc é a velocidade de deslocamento do cabeçote extrusor ( min/mm )

Db é o diâmetro do bico extrusor ( mm )

h é a altura de extrusão ( mm )

Figura 3.20 - Ilustração do comportamento médio do filamento em regime.

Considerando como valores constantes Db (0,45mm), Di (10mm) e a vazão

constante ao longo do sistema de extrusão, conforme Equação 3.6, encontramos

uma equação em função do período ( P ), da precisão ( Ps ) e da altura de

extrusão ( h ), como é apresentado na Equação 3.7 e Equação 3.8.

00VbVe = Equação 3.6

hDbPsPDiVc

⋅⋅⋅⋅⋅⋅

=4

602 π Equação 3.7

hPsPVc

⋅⋅⋅

=π56.55

Equação 3.8

Desta forma, ao fixarmos valores de altura de extrusão ( h ) e de precisão ( Ps )

podemos determinar graficamente janelas de processo, por exemplo, como, é



Figura 3.21 - Representação de parâmetros de processo, onde P (segundos) é a entrada e Vc (mm/min) a saída, e h (0,15mm), Ps (0,0006mm/passo),

Db (0,45mm) e Di (10mm) as constantes previamente fixadas

A velocidade de polimerização do material ( Rp ) determina o valor máximo de

deslocamento do cabeçote extrusor ( maxVc ). Este valor pode ser encontrado quando

se determina Rp , Equação 3.9 e Equação 3.10, igualando-a à vazão de extrusão no

bico (0

Vb ), Equação 3.11 e Equação 3.12.

Desta mesma forma pode-se determinar a período ( maxP ) máximo gerado pela

interface de controle, conforme Equação 3.13.


TPRp ][

= Equação 3.9

TkhARp ⋅⋅

= Equação 3.10

0VbRp = Equação 3.11

hDbRpVc⋅⋅

=60

max Equação 3.12

RpDiP

24

max1071.4 ⋅⋅

=−

Equação 3.13

Onde:

][P é o volume de polímero ( 3mm )

Rp é a velocidade de polimerização (s

mm3

)

k é a taxa de polimerização (%)

A é a área de exposição ( 2mm )

h é a altura de exposição/extrusão ( mm )

T é o tempo de exposição (segundos)

Di é o diâmetro interno da seringa ( mm )

maxP é o período máximo gerado pela interface de controle (segundos)

maxVc é a velocidade máxima de deslocamento do cabeçote extrusor (minmm )

3.3.4 Sintaxe de Programação CNC

Com a finalidade de empregar uma linguagem de programação padronizada

para a execução dos procedimentos do processo, foi utilizado, conforme


mencionado anteriormente, o software TurboCNC, que gerencia a sintaxe dos

programas NC feitos em código ISO (G e M) com a interface de controle em tempo

real. Este gerenciamento em tempo real é essencial para garantir a continuidade do

processo, visto que a deposição de material acontece de forma contínua.

Os principais comandos de programação utilizada no processo proposto neste

trabalho são definidos na Tabela 3.2. Contudo é possível utilizar outros recursos da

linguagem NC padrão, como, por exemplo, interpolações circulares.

Tabela 3.2 - Lista de principais comandos de controle utilizados no processo G91 Define deslocamento relativo

G90 Define deslocamento absoluto

G71 Define sistema métrico

M03 Liga extrusor sentido deposição

M04 Liga extrusor sentido sucção

M05 Desliga extrusor

M08 Liga lâmpada

M09 Desliga lâmpada

G04 Liga tempo de espera

P Determina tempo de espera em segundos

G00 Deslocamento em velocidade máxima

G01 Deslocamento em velocidade de deposição

F Determina velocidade de deslocamento do cabeçote

extrusor em mm/min

S Determina velocidade de deposição (não implementado)

Em função da especificação do computador utilizado para controle do sistema,

foi necessário que o controle do extrusor funcionasse de forma independente ao

computador, como apresentado anteriormente. Conseqüentemente, não foi


implementado o comando “S”, que determinaria a velocidade de extrusão.

Entretanto, ao aperfeiçoar o equipamento, espera-se implementar esta função.

Apesar de não ter sido implementado o comando “S”, foi possível controlar a

velocidade de extrusão através do drive de controle do atuador linear, no qual é

possível regular esta velocidade.

3.3.5 Procedimento experimental

Com objetivo de manter os mesmos parâmetros de processo, isolando o

sistema contra variações externas, foi desenvolvido um procedimento, Figura 3.22,

para utilização no estudo de processo da tecnologia de RP proposta.

O processo “Zera máquina” é referente à determinação dos zeros máquina do

software de controle, sendo obtido através de um toque do bico extrusor na

superfície a ser depositada.

O processo “sobe 1ª camada” é referente ao deslocamento vertical, do eixo Z,

com o valor da altura da camada.

Foi utilizado para T2, o tempo de 2 segundos após o processo que liga a

lâmpada, sendo este referente ao tempo necessário para a mesma ligar, Isto se

deve ao fato de que o processo liga a lâmpada apenas aciona um relê que serve de

interruptor para ligar a mesma.

Para T1 foi utilizado o tempo de 1 segundo após o processo liga extrusor. Este

é referente ao tempo de resposta até o extrusor depositar o suficiente para existir

contato entre fluido e superfície onde está sendo depositado o filamento.

Para T3, foi utilizado o tempo de 3 segundos, que serve para polimerizar o

material que continua saindo, por inércia, da ponta do bico. Isto foi determinado para

evitar que pingasse sobre material já depositado, evitando rebarbas e imperfeições

na superfície já depositada. Este foi necessário devido a não existência de um

mecanismo de controle do final da extrusão.


inicio

Zera máquina

Sobe 1a camada

Liga extrusor

Espera T1 segundo

Liga lâmpada

Espera T2 segundos

Inicia sequência de deposição

Fazer outra camada/região?

move próxima camada/região

sim

Sobe altura de segurança

Desliga extrusor

Espera T3 segundos

Desliga lâmpada

Fim

nãoDesliga extrusor

Liga extrusor

Figura 3.22 -Fluxograma de processo experimental

Capítulo 4- PARTE EXPERIMENTAL 71

4 PARTE EXPERIMENTAL

Este capítulo apresenta os parâmetros e experimentos utilizados na pesquisa

descrita neste trabalho, sendo estudados os materiais desenvolvidos para utilização

no processo de prototipagem rápida (RP) proposto, assim como o estudo deste

processo.

4.1 Estudo do Material

Nesta seção são apresentados os experimentos relacionados ao estudo e

desenvolvimento de material para utilização em tecnologias RP.

4.1.1 Caracterização de Material – 1

Este estudo é relacionado à curva de conversão do metacrilato de metila, 99%,

iniciado por peróxido de benzoila (1%, no peso), conforme descrito no Capítulo 3.

Neste estudo, foi utilizado o procedimento apresentado na seção 3.2, que é baseado

no método chamado de gravimetria, para observar a taxa de conversão das

amostras.

Como pode ser observado na Tabela 4.1, foram submetidas 12 amostras, com

alíquotas de 4ml contidas em tubos de ensaio, à exposição de luz UV gerada pela

lâmpada de vapor de mercúrio (400W), contida na câmara de contenção e reflexão,

descrita nas seções 3.1.4 e 3.1.5.

Tabela 4.1 - Tabela de amostras por tempos de exposição de caracterização de material - 1

Grupos Quantidade (ml)

Monômero Fotoiniciador Potência lâmpada UV (W)

Local Tempo exposição (segundos)

1 600 2 1800 3 2400 4

4

Met

acril

ato

de m

etila

Per

oxid

o de

be

nzoi

la 1

,5

(% p

eso

)

400

Câm

ara

de

cont

ençã

o e

refle

xão

3000


Estas amostras foram divididas em 4 grupos, conforme o tempo de exposição à

luz UV.


Visto que os resultados da caracterização de material 1 não foram satisfatórios

para a aplicação em RP, em função da velocidade de polimerização encontrada ser

muito baixa (como pode ser observado de forma mais detalhada na seção 5.1.1) foi

realizado um segundo experimento relacionado à cola BE-20, descrita no Capítulo 3.

Neste experimento foi estudada a taxa de conversão da cola Be-20 após

exposição em luz UV. O procedimento utilizado neste estudo também é baseado no

método gravimetria, apresentado na seção 3.2.

Foram submetidas 14 amostras, com alíquotas de 1ml, que difere do

experimento anterior devido à alta viscosidade do material, à exposição de luz UV

gerada pela lâmpada de vapor de mercúrio (400W), contida pela câmara de

contenção e reflexão (seções 3.1.4 e 3.1.5). Estas amostras foram divididas em 6

grupos, conforme o tempo de exposição à luz UV, conforme Tabela 4.2.

Foi analisado um grupo com tempo 0, ou seja, uma amostra que não tivesse

sido exposta ao UV, para verificação da taxa inicial de polimerização da cola.

Tabela 4.2 - Tabela de grupos amostrais e seus respectivos tempos de exposição a luz UV - Caracterização de material -2

Grupos Quantidade (ml)

Monômero Fotoiniciador Potência lâmpada UV (W)


0 0 1 30 2 60 3 90 4 120 5 150 6

1

Col

a B

E-2

0

-

400

Câm

ara

de

cont

ençã

o e

refle

xão

180



Com objetivo de redução dos tempos de polimerização, redução da

viscosidade final da cola BE-20, foi realizado, neste estudo de caracterização, um

planejamento fatorial. Neste, foram relacionadas amostras de 1ml de cola BE-20

com o tempo de exposição em luz UV e a taxa de solvente, tetracloreto de carbono,

fatores de controle e a taxa de conversão como fator de resposta.

Neste caso, o tetracloreto de carbono serve como solvente do monômero e

oligômero, até o momento que este tiver concentração de até 4 vezes maior que a

solução polimérica, quando ele se torna solvente do polímero.

Outro objetivo deste estudo foi a substituição da fonte de luz utilizada na

realização destes experimentos. Sendo substituída a lâmpada de vapor de mercúrio

400 W pela lâmpada UV de 9W, cujas características são apresentadas na seção

3.1.6. Desta forma, é desnecessária a utilização da câmara de contenção e reflexão,

visto que a faixa de comprimento de onda emitido por esta lâmpada se encontra na

faixa UVA.

Foram determinados dois níveis de fatores de controle (-1 e +1) com um ponto

central (0) conforme Tabela 4.3.

Tabela 4.3 - Tabela de níveis de fatores de controle - Caracterização de material -3

Níveis dos Fatores -1 0 +1 Tempo de exposição 0,5min 1min 1,5minPorcentagem de solvente 2ml 1,5ml 1ml

Como foram determinados dois fatores de controle para este planejamento, a

matriz de experimentos para este planejamento fatorial é do tipo k2 . A Tabela 4.4,

apresenta 4 experimentos, com 3 repetições, onde é adicionado um ponto central

para evitar distorções de resultados. Nesta matriz são relacionados os parâmetros

conforme níveis dos fatores definidos na Tabela 4.3.


Tabela 4.4 - Matriz de experimentos do planejamento fatorial da cola BE-20 - Caracterização de material -3

Experimento SolventeTempo de exposição

1 +1 +1 2 +1 -1 3 -1 +1 4 -1 -1 5 0 0


Levando em consideração que os estudos anteriores não apresentaram

resultados significativos, como pode ser observado na seção 5.1.3, foi realizado este

estudo que apresenta um tipo de formulação de material diferente dos anteriores.

Esta formulação tem entre seus componentes, iniciadores radicalares do tipo 1, cuja

faixa de absorsão de luz é conforme faixa da lâmpada UV, oligômero e monômero.

Assim, diferenciando-se dos experimentos anteriores, onde foram testadas

formulações de material com composição fechada, caso da cola BE-20, e monômero

com iniciador radicalar do tipo 1.

Para controle de espessura de camada, parâmetro de controle do processo

RP, nesta caracterização foram utilizados moldes de vidro, descritos no Capítulo 3. A

formulação do material foi de 2%, no peso, de Irgacure 184, 1ml de MMA e 1ml de

CN501.

Foram submetidas 12 amostras desta composição à exposição de luz UV

gerada pela lâmpada UV de 9W. Estas amostras foram distribuídas em 4 grupos de

acordo com seus respectivos tempos de exposição, conforme apresentado na

Tabela 4.5.


Tabela 4.5 - Tabela de grupos amostrais em relação aos seus tempos de exposição à luz UV - Caracterização de material -4

Grupos Monômero (ml)

Oligômero (ml)

Fotoiniciadores (% peso)

Potência lâmpada UV (W)


0 0

1 5

2 10

3 Met

acril

ato

de

met

ila -

1

CN

501

- 1

Irgac

ure

184

- 2

9

mol

de d

e vi

dro/

am

bien

te e

xter

no

15


Levando em consideração que os resultados da caracterização de material 4

se mostraram mais promissores, conforme pode ser observado na seção 5.1.4, foi

realizado um novo estudo onde foi alterado o tipo de iniciador, com intuito de

encontrar uma formulação de material cujo tempo de polimerização seja adequado à

utilização em tecnologias RP.

Neste estudo, foram submetidas 15 amostras da composição: 4%, no peso, de

Irgacure 651, 1ml de MMA e 1ml de CN501; à exposição de luz UV gerada pela

lâmpada UV de 9W. Estas amostras foram distribuídas em 5 grupos de

experimentos conforme seus respectivos tempos de exposição,Tabela 4.6. Nesta

caracterização também foram utilizados moldes de vidro, descritos no capítulo 3,

para determinação das taxas de polimerização do material.

Tabela 4.6 - Tabela de grupos amostrais em relação aos seus tempos de exposição à luz UV – Caracterização de material – 5


Oligômero (ml)

Fotoiniciadores(% no peso)



0 0 1 1 2 3 3 5 4 M

etac

rilat

o de

m

etila

- 1

CN

501

- 1

Irgac

ure

- 651

-

4 9

mol

de d

e vi

dro/

am

bien

te

exte

rno

10


Adicionalmente ao teste da formulação de material foram testadas inicialmente

as composições sem a presença de fotoiniciador para certificar a ação única do

fotoiniciador sobre a polimerização do material.


Em face dos resultados apresentados na caracterização de material 5,

apresentado com detalhes na seção 5.1.5, terem sido satisfatórios, foi realizado um

novo estudo com objetivo de aperfeiçoamento do material, onde foi adicionado um

iniciador do tipo iônico para acelerar a reação de polimerização do material.

Neste estudo, foram submetidas 12 amostras da composição: 4%, no peso, de

Irgacure 184, 4%, no peso, de Darocur BP, 0,5ml de MMA e 1ml de CN501; à

exposição de luz UV gerada pela lâmpada UV de 9W. Estas amostras foram

distribuídas em 4 grupos conforme seus respectivos tempos de exposição,

demostrados na Tabela 4.7. Os moldes de vidro também foram utilizados neste

estudo.

Tabela 4.7 - Tabela de grupos amostrais em relação aos seus tempos de exposição à luz UV – Caracterização de material – 6


Oligômero (ml)

Fotoiniciadores (% no peso)



0 0

1 1

2 2

3

Met

acril

ato

de m

etila

- 0,

5

CN

501

- 1

Irgac

ure

184

- 4 /

BP

4

9

mol

de d

e vi

dro/

am

bien

te

exte

rno

5


4.2 Estudo do Processo de Prototipagem Rápida

Nesta seção são apresentados estudos de características relacionadas com o

processo RP proposto, assim como os parâmetros utilizados nos experimentos que

compõem estes estudos. Estes experimentos foram realizados no equipamento de

RP, apresentado na 0.

4.2.1 Caracterização de Filamento – 1

Para verificar a funcionabilidade do processo, foi realizado um estudo inicial

sobre o filamento gerado no processo, a partir da composição de material

encontrado na caracterização de material – 6 (seção 4.1.6) utilizando o

procedimento descrito na seção 3.2. Para tal, foram determinados valores iniciais

para os parâmetros velocidade de extrusão, velocidade de deposição, diâmetro do

bico e altura de deposição, conforme cálculos apresentados na seção 3.3.

Os filamentos estudados nestes experimentos foram depositados em folha de

acetato, que foi utilizada pelo seu fácil manuseio, assim como para facilitar a retirada

das amostras.

Neste experimento foram retiradas 9 amostras, sendo utilizados como

parâmetros constantes:

• diâmetro do bico = 0,45mm

• altura de deposição = 0,15mm

• freqüência de controle de extrusor = 1,25Hz

O parâmetro de resposta observado neste experimento, após análise

microscópica, foi a largura de filamento em função da velocidade do cabeçote (Vc),

parâmetro variável, sendo realizados três filamentos para cada velocidade, conforme

Tabela 4.8.


Tabela 4.8 – Lista de valores de velocidade do cabeçote

Amostra Velocidade do

cabeçote (Vc)(mm/min)1 40 2 60 3 90


Esta caracterização tem como objetivo estudar os seus efeitos de parâmetros

de controle sobre o filamento. Desta forma, foi realizado um planejamento fatorial

para encontrar janelas de processo situadas numa região de velocidade de

deposição superior aos resultados do experimento anterior, conforme pose ser

observado na seção 5.2.1.

Utilizando o mesmo bico extrusor, foram definidos como fatores de controle: a

velocidade de extrusão (Ve), a velocidade de cabeçote (Vc) e a altura de

extrusão (h). Como fatores de resposta, foram definidos: a largura de filamento (Rm),

características dimensionais (Cd), continuidade e qualidade de filamento. Os níveis

dos fatores de controle são apresentados na Tabela 4.9.

Tabela 4.9 – Tabela de níveis e valores de fatores de controle – Caracterização de filamento – 2

Níveis Parâmetros -1 +1 Altura de deposição (h) (mm) 0,15 0,2

Velocidade de extrusão (Ve) (mm/s) Ve=0,00134 Ve=0,0012 Velocidade de deposição (Vc) (mm/min) 120 150

A matriz de experimentos deste planejamento fatorial é apresentada na Tabela

4.10, sendo que a ordem de realização destes experimentos são organizadas de

forma aleatória, para reduzir ruídos externos no sistema ensaiado.


Tabela 4.10 - Matriz de experimento de planejamento fatorial de processo de prototipagem rápida - Caracterização de filamento – 2

Planejamento fatorial Experimento Ve h Vc

G +1 +1 +1 F +1 +1 -1 H +1 -1 +1 E +1 -1 -1 D -1 +1 +1 B -1 +1 -1 C -1 -1 +1 A -1 -1 -1

Para estes experimentos foi determinada a realização de uma trajetória de

deposição, conforme apresentado na Figura 4.1. O fator de resposta baseado nas

características dimensionais foi determinado a partir da média dos valores de desvio

das dimensões 3,5 (d1), 70(d2), 17,5(d3) e 14(d4) mm, conforme apresentado na

Figura 4.1, assim como na Equação 4.1 e na Equação 4.2. As médias de medida

M1, M2, M3 e M4 são baseadas nas dimensões externas dos filamentos, conforme


xx dMxDesvio −=_ Equação 4.1

Onde:

Desvio_x é o desvio das dimensões;

xM é a medida externa da trajetória dos filamentos;

xd as dimensões programadas.

( ) ( ) ( ) ( )4

44332211 dMdMdMdMCd−+−+−+−

=Equação 4.2


Figura 4.1 - Ilustração de trajetória de deposição do estudo de filamentos realizado por planejamento fatorial, experimento 2.

Onde:

M1 é a média de medidas d1 das amostras




dC é a média dos desvios dimensionais das amostras

Estes valores de medida são obtidos a partir da região de mudança de direção,

apresentado na Figura 4.2, visto que, é esperado que esta região tenha valores de

deposição maiores, em função da desaceleração do cabeçote, em paralelo com a

velocidade de deposição se manter constante.

Os parâmetros de resposta baseados na largura do filamento e na qualidade

do filamento foram obtidos após análise microscópica (ampliação de 50X) do

filamento de três regiões de amostra da trajetória (regiões 1, 2 e 3), marcadas com

círculos, conforme apresentado na Figura 4.1. Estas regiões foram escolhidas por

serem consideradas regiões de deposição em regime.


Figura 4.2 - Ilustração de tomada de medida de trajetória de deposição, considerando largura de filamento de 1,5mm

As medições relacionadas com a região de início de deposição, apresentadas

na Figura 4.2, foram desconsideradas, uma vez que esta região se comporta de

forma diferenciada da região de deposição em regime e de mudança de direção.

A continuidade das trajetórias, assim como a qualidade do filamento também

foram observadas, sendo classificados os níveis de qualidade e continuidade de

forma comparativa através de uma escala comparativa apresentada na Tabela 4.11.

Tabela 4.11 –Escala quantificativa de parâmetros qualitativos, qualidade e continuidade

Escala comparativa Parâmetros 0 1 2 3 4 5

Continuidade Não contínuo contínuo - - - - Qualidade N/A muito ruim ruim médio bom ótimo

Nesta, o nível ótimo é apresentado como o filamento de melhor qualidade

superficial entre os obtidos nos experimentos.


4.2.3 Interação entre Filamentos

Este estudo tem como objetivo observar o interação entre filamentos paralelos,

ou seja, o estudo do comportamento de filamentos em função da distância entre as

linhas paralelas de deposição (raster) que permite o contato entre estes filamentos.

Adicionalmente, foram analisadas características de processo relacionadas

com começo e término de deposição e comportamento de filamento em mudança de

direção, sendo observado o desvio dimensional da trajetória (Cd).

Os parâmetros constantes utilizados na realização deste experimento são

apresentados na Tabela 4.12.

Tabela 4.12 – Tabela de parâmetros de processo utilizados no estudo de interação entre filamento

Parâmetros Valores velocidade de extrusão 0,00012mm/s precisão 1/20 velocidade de cabeçote 84mm/min diâmetro do bico 0,45mm altura de deposição 0,15mm

A trajetória determinada para este experimento determina diferentes distâncias

entre filamentos, para observar seus comportamentos, como é apresentado na

Figura 4.3. Foram realizadas duas amostragem com intuito de verificar repetibilidade

do processo.


Figura 4.3 - Ilustração de trajetória de deposição do experimento 3, tendo 4 diferentes distâncias entre filamentos, para observar o comportamento entre

filamentos.

4.2.4 Viabilidade Funcional

Este experimento tem objetivo de analisar a funcionalidade do processo de RP

proposto através da fabricação de dois corpos de provas. Foram utilizados

planejamentos de trajetórias de deposição específicos para cada um, conforme

apresentado na Figura 4.5 e Figura 4.6. As dimensões destes dois corpos de prova

são apresentadas na Figura 4.4.


Figura 4.4 - Dimensões de corpos de provas

No corpo de prova 1 foi depositada uma camada de 0,15mm de altura de

deposição com distância entre filamentos igual a 1,47mm, enquanto no corpo de

prova 2 foram depositadas 3 camadas de 0,15mm com distância entre filamentos

igual a 1,4mm.

Figura 4.5 - Ilustração de trajetória de deposição de corpo de prova 3

As trajetórias foram geradas através do programa RPCAM da empresa Viscam,

onde foram gerados os códigos ISO CNC para utilização na máquina desenvolvida.

Como pode ser observado, há uma leve divergência entre o modelo esperado e

o modelo do RPCAM, a partir de quem foram geradas as trajetórias. Estas

divergências aparecem na região de contorno.


Figura 4.6 - Ilustração de trajetória de deposição de corpo de prova 4

4.3 Resumo de Estudo de Material do Processo

Para facilitar o manuseio deste trabalho, a Tabela 4.13 apresenta um resumo

das composições dos materiais estudados, assim como do local e tempo de

exposição.

Tabela 4.13 – Tabela resumo de experimentos relacionados ao desenvolvimento de material

Estudo Solvente Monômero/ Oligômero Fotoiniciador Fonte luminosa Local

Faixa de exposição (segundos)

Caracterização de material - 1 - Metacrilato de

metila (4ml)

Peroxido de benzoila (1,5

% peso )

Lâmpada de valor de mercúrio

(400W)

Câmara de contenção e

reflexão 600-3000

Caracterização de material - 2 - Cola BE-20

(1ml) - Lâmpada de valor

de mercúrio (400W)


reflexão 0-180

Caracterização de material - 3

Tetracloreto de carbono (1-

2ml)

Cola BE-20 (1ml) - Lâmpada UV

(9W)


reflexão 30-90

Caracterização de material - 4 -

Metacrilato de metila (1ml) / CN501 (1ml)

Irgacure 184 (2 % peso)

Lâmpada UV (9W)

molde de vidro/ ambiente externo

0-15



Irgacure 651 (4 % peso)

Lâmpada UV (9W)


0-10


Metacrilato de metila (0,5ml) / CN501 (1ml)

Irgacure 184 (4 % peso) / Darocur BP (4% peso)

Lâmpada UV (9W)


0-5


Da mesma forma, a Tabela 4.14 apresenta um resumo dos estudos de

caracterização de filamento, interação entre filamentos e viabilidade funcional, assim

como os fatores de resposta de cada estudo.

Tabela 4.14 - Tabela resumo de experimentos relacionados ao estudo do processo RP proposto

Estudo

Caracterização de Filamento - 1


Interação entre Filamentos Viabilidade Funcional

Metodologia Univariável DoE Univariável Teste funcional (lógico)

Ve (mm/s) 0,00075 0,00134 - 0,0012 0,00126 0,00126

Vc (mm/min) 40 - 90 120 - 150 120 120

h (mm) 0,15 0,15 - 0,2 0,15 0,15 Fatores de

controle Distância entre filamentos (mm) 1,33-1,54 1,4 / 1,47

Largura de filamento (mm)

Largura de filamento (mm)

Característica dimensional (mm)

União entre filamentos (sim-não)

Construção de corpo de prova (sim - não)

Qualidade (escala de 0 - 5)

Característica dimensional (mm)

Fatores de Resposta

Continuidade (escala de 0 -1)

Capítulo 5- RESULTADOS E DISCUSSÕES 87

5 RESULTADOS E DISCUSSÕES

Neste capítulo serão apresentados os resultados dos experimentos descritos

no Capítulo 4, assim como os as discussões sobre os resultados encontrados.

Sendo estes divididos conforme o estudo que estes se relacionam: estudo de

material, seção 5.1, e estudo de processo de prototipagem rápida, seção 5.2.

Também é apresentado um comparativo entre os resultados da tecnologia

proposta por este trabalho e tecnologias já consolidadas pelo mercado, seção 5.3.

5.1 Estudo do Material

Ao longo deste capítulo são apresentados os resultados dos experimentos

relacionados ao desenvolvimento de material, descritos na seção 4.1.


Dos resultados do estudo de caracterização de material – 1, onde foram

calculadas as taxas de conversão das amostras em relação ao tempo de exposição

em luz UV (ultravioleta), foi levantada uma curva de conversão em relação ao tempo,

como apresentada na Figura 5.1.


Curva de Conversão

3,3

15,8

25,4

32,0

y = 16,849Ln(x) - 105,91R2 = 0,9316

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0

35,0

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500Tempo (s)

Con

vers

ão (%

)Curva de Conversão

Log. (Curva deConversão)

Figura 5.1 - Curva de conversão de fotopolimerização de MMA em 1% peróxido de benzoila, utilizando fonte UV de 400W

O desvio padrão máximo observado para estas amostras foi de 0,5%.

Este material se comportou de forma regular e com tempos de polimerização

menores que os tempos obtidos nos processos iniciados termicamente, onde, para

temperatura de 91°C, o tempo de meia vida se apresenta entre uma hora

(CHEREMISINOFF, 1998; MATYJASZEWSKI e DAVIS, 2002).

Entretanto, estes resultados apresentaram a taxas de polimerização muito

baixas para a aplicação em tecnologias RP. Visto que para esta, normalmente, tem-

se valores de tempos conversão para taxas de 50% de 3 segundos (BARTON e

FULTON, 2000).


Foi realizado na caracterização do material – 2 um estudo relacionado à cola

BE 20, 99% sem fotoiniciador, visto que este é um material comercial facilmente

encontrado, assim como sua taxa de conversão inicial, antes da exposição em UV, é

de 30,3%.


Por esta taxa de polimerização já ser elevada, tornando a solução mais viscosa

que a anterior, os tempos de exposição foram reduzidos, em relação ao estudo

anterior.

Sobretudo, continuaram sendo seguidos os mesmos procedimentos descritos

na seção 3.2, definindo um padrão de comparação entre os dois materiais. Os

resultados foram compilados no gráfico apresentado na Figura 5.2.

Curva de Conversão

30,3

44,147,1 44,2

56,862,9 64,5

y = -0,0002x2 + 0,2141x + 33,026R2 = 0,907

0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

60,0

70,0

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200Tempo (s)

Con

vers

ão (%

)

Curva de conversãoPolinômio (Curva de conversão)

Figura 5.2 - Taxa de polimerização de cola BE 20 sem fotoiniciador em fonte UV(9W)

O desvio padrão máximo apresentado nestes resultados foi de 1,5%.

Neste gráfico, pode-se observar uma conversão de 64,5% em 180 segundos,

mostrando um grande redução de tempo de polimerização, em relação à anterior,

que obteve 32% em 3000 segundos.

Entretanto, apesar deste material, cola acrílica fabricada pela Bérkel,

apresentar um tempo de polimerização menor que o material anteriormente

estudado, MMA 99,9%, em aproximadamente dez vezes, estes tempos ainda se

apresentavam fora da especificação de projeto definida nesta pesquisa.



Com intuito de reduzir o tempo de polimerização da cola BE-20 e em função da

solução apresentar grande viscosidade, gerando grande dificuldade para o

manuseio e execução dos experimentos, assim como a substituição da fonte

luminosa, foi realizado o estudo de caracterização de material 3, utilizando o método

DoE (Design of Experiments), método de análise multivariada, para analisar o

relacionamento entre a quantidade de solvente e o tempo de exposição e taxa de

polimerização do material, como apresentado na seção 4.1.3.

Este estudo também foi realizado com o intuito de utilização de uma nova

fonte, em comparação com os estudos anteriores, a lâmpada UV, descrita na

seção 3.1.6, visto que a utilização da lâmpada de vapor de mercúrio exigia o uso da

câmara de contenção e reflexão, em função de sua faixa de emissão, UVC.

Na Tabela 5.1 são apresentados os valores médios dos fatores de resposta de

cada experimento, assim como o nível dos fatores de controle.

Tabela 5.1 – Tabela de valores médios de fatores de resposta dos experimentos

Experimentos Solvente

(ml) Tempo de exposição

(s) Taxa de

polimerização Desvio Padrão

1 1 90 21,07% 3,51% 2 1 30 23,04% 5,12% 3 2 90 36,81% 3,90% 4 2 30 43,92% 4,01% 5 1,5 60 30,27% 2,62%

Na Figura 5.3 são apresentados os efeitos principais dos fatores de controle,

solvente e tempo, sobre o fator de resposta conversão, onde foi possível observar

que maior impacto sobre a conversão foi gerado pelo solvente.

Isto também pode ser observado no Pareto de efeitos das interações,

apresentado na Figura 5.4, onde, apesar do tempo de exposição ser significativo, o

solvente obteve maior efeito sobre a concentração.


Figura 5.3 - Diagrama de Efeitos principais de fatores de controle sobre fator de resposta Conversão

Figura 5.4 - Diagrama de Pareto de efeitos das interações entre fatores sobre a conversão, considerando coeficiente de erro de 0,05

A partir dos resultados apresentados na Tabela 5.1, foi feito um diagrama de

contorno que demonstra as melhores e piores faixas de taxas de conversão em

função do tempo de exposição e concentração de solvente (Figura 5.5).


Figura 5.5 - Diagrama de contorno de taxa de conversão de cola BE 20 contra concentração de solvente (tetracloreto de carbono), e tempo de exposição pela luz

UV (9W)

Esse estudo, ao serem analisados os gráficos, demonstrou taxas de conversão

maiores em tempos de exposição menores, em relação à caracterização de

material - 2, caracterizando a inibição da polimerização pelo solvente. Este tipo de

inibição delimita um material com um tipo de fotoiniciador radicalar TIPO 2 ou Iônico,

em função da exposição ao oxigênio (MATYJASZEWSKI e DAVIS, 2002; ODIAN,

2004).

Também foi possível viabilizar a utilização da lâmpada UV para este material,

possibilitando a polimerização em ambiente aberto. Entretanto, a quantidade de

solvente é mais baixa para estas faixas, tornando a solução mais viscosa e de difícil

manuseio.

Apesar da diferença de velocidade de polimerização tanto para MMA 99,9%

quanto para a cola BE 20, 99,9%, os tempos de polimerização inviabilizam a

aplicação em prototipagem rápida, visto que estes tempos são maiores que os

usuais da RP, que variam até o valor de 50% de polimerização em 3 segundos

(BARTON e FULTON, 2000).



Visto que os resultados obtidos nos estudos anteriores impossibilitaram a

aplicação dos materiais para tecnologias RP, foram observadas características

comuns entre materiais fotopoliméricos já utilizados em tecnologias RP comerciais,

com o objetivo de observar estas características no desenvolvimento de material

utilizado nesta pesquisa.

Em comparação com os estudos anteriores, os fotoiniciadores utilizados neste

experimento apresentavam taxa de separação maior que os iniciadores anteriores,

como é apresentado na seção 2.1.4.

Primeiramente, foi testada a iniciação dos componentes químicos sem a

presença dos iniciadores, para certificar que a polimerização do material somente se

iniciaria pela ação dos iniciadores. Enquanto a massa de CN501 se mostrou

constante tanto na etapa de exposição ao UV, quanto nas etapas de precipitação e

secagem do polímero em presença de etanol, provando a necessidade de utilização

de iniciadores, assim como sua estabilidade, o MMA puro mostrou-se volátil,

evaporando em 5 min.

Contudo, pelas composições dos materiais estudados nesta seção terem sido

determinadas conforme recomendações de fabricante, assim como apresentado na

seção 2.2.1 (RODRIGUES e NEUMANN, 2003; SARTOMER, 2004), foi estudada a

fotopolimerização da composição CN501, MMA, Irgacure 184, conforme

apresentado na seção 4.1.4, tendo como resultado a taxa de polimerização da

composição conforme Figura 5.6.

A Figura 5.7 apresenta uma curva de conversão gerada a partir dos resultados

do experimento, tendo como resultado uma taxa de conversão de 91% em 15

segundo de exposição em UV.

Este valor, conforme o esperado, mostra um tipo de polimerização baseada em

luz UV mais eficiente que as composições dos experimentos anteriores, cola BE-20

e MMA iniciado com peróxido de benzoila.

Contudo, o valor da velocidade de polimerização ainda se apresentava abaixo

do suficiente para utilização em RP.


Figura 5.6 - Foto da solução após exposição em UV no não-solvente etanol (5ml) com 28,47% de conversão

Curva de Conversão

0,00%

53,00%

91,00%85,70%

y = -0,0048x2 + 0,1327x - 0,0035R2 = 0,9995

0,00%

10,00%

20,00%

30,00%

40,00%

50,00%

60,00%

70,00%

80,00%

90,00%

100,00%

0 2 4 6 8 10 12 14 16tempo (s)

conv

ersã

o (%

)

2% Irgacure 184, em 1ml M M A e 1ml de CN501

Polinômio (2% Irgacure 184, em 1ml M M A e 1ml de CN501)

Figura 5.7 - Curva de conversão de fotopolimerização de solução de MMA (1ml), CN501(1ml) em 2% de Irgacure 184

Material

polimerizado Material não

polimerizado



O estudo da caracterização de material – 5 foi realizado com o objetivo de

levantar a curva de conversão do material com cuja composição: 1ml de MMA,99% e

1ml de CN501 em 4% Irgacure 651, sendo medida a quantidade de material

polimerizado após exposição em luz UV em relação à quantidade de material antes

da exposição.

Na Figura 5.8, é apresentada uma foto referente ao experimento acima

descrito, onde a solução, após ser exposta em UV, foi submetida à presença de

etanol, não solvente que precipita as moléculas mais pesadas da solução, polímeros

e oligômeros. Nesta foto é apresentada uma solução que teve 91% de conversão

após 15 segundos exposto em presença de UV.

Figura 5.8 – Foto da solução após exposição em UV no não-solvente etanol (5ml) com 91% de conversão

Os resultados deste experimento são apresentados na Figura 5.9, onde se

pode observar uma grande redução de tempo de polimerização, em comparação

com os resultados dos estudos anteriores, viabilizando, desta forma, a utilização

deste material em tecnologias RP.

Região esbranquiçada

demonstra a existência

de Material polimerizado


Curva de Conversão

66,67%

44,44%

28,57%

80,00%

y = 0,2308Ln(x) + 0,2601R2 = 0,957

0,00%

10,00%

20,00%

30,00%

40,00%

50,00%

60,00%

70,00%

80,00%

90,00%

0 2 4 6 8 10 12tempo (s)

conv

ersã

o (%

)

4% de irgacure 651 em 1ml de M M A e 1ml de CN501

Log. (4% de irgacure 651 em 1ml de M M A e 1ml de CN501)

Figura 5.9 – Curva de conversão de fotopolimerização de solução de MMA (1ml) e CN501(1ml) em mistura de 4% de Irgacure 651


A partir dos indicativos encontrados nos estudos de caracterização de material

4 e 5, foi realizado mais um experimento onde foram misturadas duas classes de

fotoiniciadores, com intuito de acelerar a reação, protegendo-a, desta forma, contra

inibição por oxigênio (MATYJASZEWSKI e DAVIS, 2002; ODIAN, 2004).

Neste experimento, foi estudada a fotopolimerização do material com cuja

formulação de 4% de benzofenona; 4% de Irgacure 184; 1ml de CN501 e 0,5ml de

MMA. Esta formulação se mostrou estável até a exposição em UV, visto que após 1

hora sem exposição sua massa se manteve constante.

Após exposição da solução em UV (9W), foram utilizados os mesmos

procedimentos da seção 5.1.4, descrito na seção 3.2, onde, após conclusão destes

procedimentos, foram encontrados os resultados apresentados na Figura 5.10.


Curva de Conversão

75,00%

40,00%

80,00%

y = 0,2384Ln(x) + 0,467R2 = 0,7797

0,00%

10,00%

20,00%

30,00%

40,00%

50,00%

60,00%

70,00%

80,00%

90,00%

0 1 2 3 4 5 6tempo (s)

conv

ersã

o (%

)

4% de Irgacure 184 , 4% de benzofenona, 0.5ml de MMA e 1ml de CN501

Log. (4% de Irgacure 184 , 4% de benzofenona, 0.5ml de MMA e 1ml de CN501)

Figura 5.10 – Curva de conversão de fotopolimerização de solução de MMA (0,5ml) e CN501(1ml) em mistura de 4% de Irgacure 184 e 4% de benzofenona

A partir deste último experimento, pode-se salientar, além da viabilidade, a

potencialidade na utilização desta formulação em novos desenvolvimentos

relacionados à RP, como desta pesquisa, visto que foi obtido valor médio de

conversão de 75% em dois segundos.

Desta forma, como puderam ser caracterizadas as propriedades

fotopoliméricas dos materiais estudados, pode-se selecionar como material de base

para o estudo do processo RP proposto a composição estudada na caracterização

de material 6. Todavia, apesar desta composição se mostra adequada para o estudo

em questão, esta tem potencial para ser aperfeiçoada.

A partir deste material, foram estudadas características de viabilidade funcional

do processo proposto, assim como parâmetros de caracterização do processo.

Todavia, o desenvolvimento de material, que é uma das áreas mais

importantes no desenvolvimento de tecnologias RP, deve-se ter seu

desenvolvimento contínuo, relacionando-se diretamente com características de

processo, apresentadas na seção 5.2.


5.1.7 Resumo de Resultados do Estudo do Material

Com objetivo de facilitar a manuseio deste trabalho para realização de

pesquisas futuras, a Tabela 5.2 apresenta um resumo dos experimentos realizados

no estudo do material, assim como dos resultados mais significativos para cada

experimento.

Tabela 5.2 – Tabela resumo de resultados do estudo do material

Estudo Monômero/ Oligômero Fotoiniciador

Faixa de exposição (segundos)

Resultado mais significativo


Metacrilato de metila (4ml)

Peroxido de benzoila (1,5 %

peso ) 600-3000

conversão de 32% em 3000

segundos

Caracterização de material - 2 Cola BE-20 (1ml) - 0-180

conversão de 64% em 180

segundos

Caracterização de material - 3 Cola BE-20 (1ml)

Tetracloreto de carbono (1-2ml)

(solvente) 30-90

conversão de 43% em 30 segundos



Irgacure 184 (2 % peso) 0-15




Irgacure 651 (4 % peso) 0-10



Metacrilato de metila (0,5ml) / CN501 (1ml)

Irgacure 184 (4 % peso) / Darocur BP

(4% peso) 0-5


5.2 Estudo do Processo de Prototipagem Rápida

Em função dos resultados promissores obtidos nos experimentos relacionados

com o desenvolvimento de material, foi selecionada para ser utilizada no estudo de

processo de RP a composição de material baseada em acrilatos, como CN501 e

MMA, como é apresentado na seção 5.1.6, devido a suas características

fotopoliméricas serem semelhantes às da RP.



Neste experimento foi estudado a viabilidade de construção de filamentos de

material líquido depositado sobre uma superfície plana sendo solidificada

simultaneamente a sua deposição, conforme processo proposto na seção 4.2.1.

Os cálculos dos valores utilizados neste experimento foram retirados da base

de cálculo apresentada na 3.3, e descritos na seção 4.2.1.

Para análise dos filamentos, neste experimento, foram observadas, em microscópio ótico com lente de 50 x de aumento, características construtivas e dimensionais de

cada filamento de forma isolada, Figura 5.11. Sendo estas imagens geradas sobre uma superfície metálica,

devido ao material dos filamentos ser transparente. Desta forma, deve-se considerar

somente a região do filamento, desconsiderando riscos da peça metálica sob

filamentos.

O objetivo desta análise foi de determinar uma janela inicial de processamento,

servindo, assim, como base para os estudos seguintes, onde o assunto pode ser

estudado de forma mais detalhada.

Como pode ser observado no filamento 3 da Figura 5.11, as regiões de borda (duas laterais do filamento) se apresentam

com consistência diferenciada em relação à região de linha central do filamento,

apresentando, assim, uma região de menor grau de conversão e de maior desvio,

Figura 5.12.

Figura 5.11 – Fotos de filamentos tiradas em microscópio ótico 50 x, onde cada filamento representa o grupo de filamentos construídos com velocidade de cabeçote


extrusor de: 40mm/min (filamento 1), 60mm/min (filamento 2) e 90mm/min (filamento 3).

Figura 5.12 – Curva de comportamento de filamento

Esta figura ilustra uma curva de comportamento de filamento onde é

observada a largura do filamento em relação à velocidade do cabeçote extrusor,

sendo também apresentados graficamente os desvios padrões e medianas em cada

ponto ensaiado.

A partir da medição destes filamentos, foi evidenciada a possibilidade de

construção de filamentos para a tecnologia RP proposta, visto que os mesmos se

apresentaram regulares. Regularidade que pode ser observada ao realizar uma

análise de quartis sobre amostras, onde nenhum dos valores experimentados se

apresentou fora da zona de confiabilidade. Os valores da análise estatística

descritiva dos grupos amostrais em cada ponto ensaiado podem ser observados na

Tabela 5.3.

y = -0,115x 2 + 9,0907x + 536,56R 2 = 1

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

30 40 50 60 70 80 90 100

Velocidade do Cabeçote(mm/mim)

Largura de Filamento(um)


Tabela 5.3 – Tabela de análise estatística descritiva de grupos amostrais da largura de filamento da caracterização de filamento 1

filamento 1 filamento 2 filamento 3

Média(µm) 712,4304 654,3131 441,5615

Erro padrão(µm) 5,668002 21,44398 23,61627

Mediana(µm) 716,141 667,9035 423,0056

Desvio padrão(µm) 9,817268 37,14207 78,3263

Variância da amostra 96,37875 1379,533 6135,009

Intervalo 18,5529 70,4559 185,5288

Mínimo(µm) 701,2987 612,2899 337,6623

Máximo(µm) 719,8516 682,7458 523,1911

Nível de confiança(95,0%) 24,38745 92,26602 52,62032

1 quartil 708,7199 640,0967 376,6234

3 quartil 717,9963 675,3247 519,4872


O estudo de caracterização de filamento – 2 tem como objetivo estudar a

influência de características de processo, como velocidade de deposição, velocidade

de extrusão, e altura de filamento, sobre a construção de filamentos, assim como a

construção de formas, a partir dos resultados obtidos na caracterização de

filamento 1, obtendo uma nova janela de processo com valores de velocidade de

cabeçote (Vc) maiores.

Este estudo é descrito na seção 4.2.2, onde é apresentado o planejamento

deste experimento, baseado na metodologia de análise multivariada chamada

DoE (Design Of Experiment), onde foram observadas como fatores de respostas as

características: largura de filamento; dimensões de trajetórias de deposição;

continuidade; e qualidade da superfície do filamento.


A matriz de experimentos deste planejamento fatorial é apresentada na Tabela

5.4, onde são descritos os experimentos e os valores dos parâmetros estudados.

Tabela 5.4 - Matriz de experimento de planejamento fatorial de processo de prototipagem rápida

Ve(mm/s) h(mm) Vc(mm/min) Experimentos

0,0013 0,15 120 A

0,0013 0,2 120 B

0,0013 0,15 150 C

0,0013 0,2 150 D

0,0012 0,15 120 E

0,0012 0,2 120 F

0,0012 0,15 150 H

0,0012 0,2 150 G

A Figura 5.13, apresenta um exemplo de trajetória de deposição, a foto da

trajetória de deposição obtida no experimento H.

Figura 5.13 - Foto de trajetória de deposição de experimento H

Largura de Filamento

Inicialmente foi analisada a normalidade dos filamentos por amostras, sendo

que para cada experimento foram retiradas três amostras, conforme seção 4.2.2.

A Figura 5.14 apresenta um diagrama Box-Whisker das amostras das três

regiões do experimento A que, consequentemente, permite realizar uma análise

estatística descritiva visual destas amostras, visto que este diagrama representa

graficamente a distribuição amostral, amplitude, média e quartis das medidas de


largura de filamento das amostras estudadas (maiores detalhes podem ser

encontrados em (SHESKIN e SHESKIN, 2000)).

Figura 5.14 - Diagrama de Box-Whisker das amostras do experimento A

Estas amostras, cujas imagens dos filamentos tiradas com microscópio óptico

com 50x de ampliação, são apresentadas, respectivamente, na Figura 5.15, Figura

5.16 e Figura 5.17.

Figura 5.15 - Foto de amostra 1 de experimento A


Nestas imagens puderam ser observadas regiões de filamento mais escuras,

que foram consideradas zonas de polimerização intermediária, entre a região central

do filamento, com valor máximo de polimerização, e o material não polimerizado.

Figura 5.16 - Foto da amostra 2 do experimento A

Figura 5.17 - Foto da amostra 3 do experimento A


Esta região de polimerização intermediária pode ser explicada em função da

diferença de altura entre região central e borda, que gera diferença de intensidade

de penetração. Adicionalmente, como apresentado na Figura 5.18 e Figura 5.19, há

uma diferença de intensidade luminosa em função da incidência dos raios da fonte

luminosa.

Figura 5.18 - Ilustração da região do filamento que recebe maior intensidade luminosa em função da incidência e distância

Pode-se também identificar que a superfície do filamento apresenta pequenas

falhas, gerando um efeito “casca de laranja” sobre a superfície, situação que

interfere na qualidade do filamento.

Figura 5.19 – Ilustração de ponta de bico extrusor onde é representada a incidência de raios de luz provenientes da fonte luminosa, gerando uma região com maior

incidência de luz.


A Figura 5.20 apresenta um diagrama Box-Whisker das amostras do

experimento B. Neste diagrama, pode-se observar a existência de valores da

amostra 3 do experimento B que se apresentaram fora da zona de confiabilidade,

evidenciando um possível erro pontual desta região analisada.

Figura 5.20 - Diagrama de Box-Whisker das amostras do experimento B

Estas amostras, apresentadas, respectivamente, na Figura 5.21, Figura 5.22 e

Figura 5.23, além de apresentarem uma região de filamento mais escura, sendo

considerada uma zona de polimerização intermediária, entre a região central do

filamento (máximo) e o material não polimerizado (mínimo), apresentam uma

superfície de filamento muito irregular.


Figura 5.21 - Foto de amostra 1 do experimento B

Figura 5.22 - Foto de amostra 2 de experimento B


experimento C.


Figura 5.23 - Foto de amostra 3 de experimento B Estas amostras, apresentadas, respectivamente, na Figura 5.25, Figura 5.26 e

Figura 5.27, além de apresentarem uma região de filamento mais escura, sendo

considerada uma zona de polimerização intermediária, entre a região central do

filamento (máximo) e o material não polimerizado (mínimo), apresentam uma

superfície de filamento irregular e valor de largura elevado, em comparação com os

valores dos experimentos anteriores.

Figura 5.24 - Diagrama de Box-Whisker de amostras do experimento C


Figura 5.25 - Foto de amostra 1 do experimento C

Figura 5.26 - Foto de amostra 2 do experimento C


experimento D. Sendo que, dentre estas amostras, apresentadas, respectivamente,

na Figura 5.29, Figura 5.30 e Figura 5.31, foi também possível observar uma região

de filamento mais escura, considerada uma zona de polimerização intermediária,

entre a região central do filamento (máximo) e o material não polimerizado (mínimo),

em duas amostras de três, sendo que todas apresentaram regiões de superfície de

filamento irregular.


Figura 5.27 - Foto de amostra 3 de do experimento C

Figura 5.28 - Diagrama de Box-Whisker das amostras do experimento D


experimento E.

Neste diagrama é possível identificar um grande número de valores que se

apresentam fora da zona entre o primeiro e terceiro quartil, evidenciando uma

grande irregularidade de comportamento.


Figura 5.29 - Foto de amostra 1 do experimento D


Apesar destas amostras, apresentadas, respectivamente, na Figura 5.33,

Figura 5.34 e Figura 5.35, não apresentarem uma região de filamento mais escura,

região considerada zona de polimerização intermediária, entre a região central do

filamento(máximo) e o material não polimerizado(mínimo), apresentam uma

superfície de filamento irregular.



Figura 5.32 - Diagrama de Box-Whisker das amostras do experimento E


experimento F, onde foi possível, assim como nos outros experimentos, identificar a

irregularidade do inicio de deposição.

Neste diagrama, ao contrário dos outros experimentos, são apresentados

apenas dois grupos amostrais, visto que a região 2, foi onde foi apresentada a

quebra da continuidade da trajetória de deposição.


Figura 5.33 - Foto de amostra 1 do experimento E


Estas amostras, apresentadas, respectivamente, na Figura 5.38 e Figura 5.39,

não apresentaram uma região de filamento mais escura, região considerada zona de

polimerização intermediária, entre a região central do filamento (máximo) e o

material não polimerizado (mínimo), contudo, apresentaram uma superfície de

filamento irregular, efeito “casca de laranja”.



A quebra da continuidade apresentada na trajetória de deposição pode ser

observada na Figura 5.40, onde pode se observar o acúmulo de material no bico

extrusor após esta quebra, gerando o entupimento do bico.

Contudo, esta quebra de continuidade foi temporária, visto que houve o

desentupimento do bico em função da pressão do material fluido sobre região

gerado pelo extrusor.

Esta seqüência de acontecimentos relacionados com a quebra da continuidade

e são apresentados na Figura 5.36, onde pode ser observado a perda de contato do

filamento com superfície de deposição, o acúmulo de material, que proporciona o

entupimento do bico, o aumento da pressão seguido do desentupimento da ponta do

bico, e a retomada da deposição com filamento prejudicado.


Figura 5.36 - Ilustração de etapas de quebra de continuidade devido a perda de contato do filamento com superfície

Em função deste acúmulo, a largura e acabamento dos filamentos seguintes se

mostraram prejudicados, como no caso da amostra 2 da Figura 5.37, relativo à

região 3 do experimento.

Figura 5.37 - Diagrama de Box-Whisker das amostras do experimento F



experimento H, onde foi possível observar um aumento da largura do filamento a

medida que a deposição do filamento entra em regime, visto que o grupo amostral 1

é relativo à região 1 do experimento, ou seja, a região mais próxima do inicio da

deposição.

Figura 5.38 - Foto de amostra 1 do experimento F

Figura 5.39 - Foto de amostra 3 do experimento F


Figura 5.40 - Foto de região de quebra de continuidade de filamento do experimento F

Figura 5.41 - Diagrama de Box-Whisker de amostras do experimento H

Estas amostras, que são apresentadas respectivamente, na Figura 5.38 e

Figura 5.39, não apresentaram uma região de filamento mais escura. Esta região é

considerada zona de polimerização intermediária, entre a região central do

filamento (máximo) e o material não polimerizado (mínimo). As amostras também

não apresentaram uma superfície de filamento irregular.


O experimento G teve como valor do fator de resposta o valor nulo, visto que,

em função da interação de parâmetros de processo, não foi possível realizar a

deposição de material, que gera os filamentos. Esta interação de parâmetros se

apresenta como limite da janela de processo. Contudo, os principais fatores

relacionados a esta situação são apresentados no estudo relacionado ao fator de

resposta Continuidade.

Figura 5.42 - Foto de amostra 1 do experimento H



Com intuito de observar a normalidade estatística destas amostras, estas foram

submetidas ao teste Shapiro-Wilk, também conhecido como teste W, considerando

um valor de probabilidade de erro de 0,05, como apresentado na Tabela 5.5. Este

teste verifica como hipótese nula, a possibilidade das amostras serem distribuídas

conforme uma distribuição normal (SHESKIN e SHESKIN, 2000).


Assim, pode-se observar que a maioria das amostras dos experimentos se

comportou de forma normal, tendo pelo menos uma das amostras com distribuição

normal contida em cada experimento. Desta forma, pode-se concluir que o processo

se comportou de forma regular, tendo resultados normais.

O planejamento fatorial é um método que permite analisar o efeito de cada

fator de controle ou interação entre os fatores de controle sobre fatores de resposta,

conforme observado anteriormente na Tabela 5.4 e exemplificado graficamente na

Figura 5.45.

Para análise destes resultados, foram observados os efeitos principais e

secundários de cada fator de controle sobre os fatores de resposta, com objetivo de

determinar o fator mais significante cada resposta do processo RP.


Tabela 5.5 – Relação de valores de prova e decisão sobre a hipótese dos valores amostras seguirem distribuição normal

Amostras valor de prova (pvalue) Decisão

A1 0,173204 aceito

A2 0,185625 aceito

A3 0,8565 aceito

B1 0,633937 aceito

B2 0,145895 aceito

B3 0,128333 aceito

C1 0,332777 aceito

C2 0,171568 aceito

C3 0,171568 aceito

D1 0,0642684 aceito

D2 0,0320834 rejeitado

D3 0,297821 aceito

E1 0,00598856 rejeitado

E2 0,160712 aceito

E3 0,372284 aceito

F1 0,0409202 rejeitado

F2 0,266004 aceito

H1 0,00060396 rejeitado

H2 0,0829663 aceito

H3 0,484653 aceito

Figura 5.45 – Representação gráfica de resultados de fatores de resposta em função de seus respectivos fatores de controle


A Figura 5.46 apresenta um gráfico de efeito principal de cada fator sobre o

processo, onde se pode observar o impacto da velocidade do cabeçote (Vc) sobre a

largura do filamento.

Figura 5.46 - Gráfico de efeitos principais de fatores de controle sobre respostas médias dos experimentos relacionados à largura de filamento (Rm)

Este comportamento do filamento em relação à velocidade pode ser explicado

pela redução da altura de filamento depositado em função da aumento de Vc,

situação que leva a distância entre o filamento e a lâmpada UV, reduzindo a

intensidade luminosa sobre o filamento, e por conseqüência, velocidade de

polimerização do filamento.

Contudo, ao se considerar a regressão dos mínimos quadrados parciais (PLS)

das diversas interações entre fatores, explicado na seção 2.3, apresentadas na

Figura 5.47, assim como no Pareto de efeitos, apresentado na Figura 5.48, não foi

possível identificar interações significantes.

Apesar de não haver interações com efeitos significantes, pode-se observar

que a interação dos fatores de controle Ve e Vc tem maior efeito sobre o processo,

em comparação com as demais interações.

Visto que os fatores de maior impacto sobre o processo são Ve e Vc, foi feito

um diagrama de contorno, Figura 5.49, que delimita uma janela de processamento

em função da largura do filamento, tendo como valor estático h=0,15mm.


Figura 5.47 - Regressão de PLS dos efeitos das interações sobre Rm, considerando probabilidade de erro de 0,05

Figura 5.48 - Diagrama de Pareto de efeitos das interações entre fatores sobre Rm, considerando probabilidade de erro de 0,05.

Ao se determinar outro valor estático h, esta janela de processamento pode ser

deslocada, como é apresentado na Figura 5.50 e Figura 5.51, apresentando

diagramas de contorno da largura de filamento (Rm) em função de Ve e Vc,

considerando valores estáticos de h=0,175 e h=0,2, respectivamente.


Figura 5.49- Diagrama de contorno de Rm em função de Ve e Vc, considerando valor estático de h=0,15mm

Neste diagrama de contorno, Figura 5.49, pode-se identificar regiões de

processamento conforme a largura do filamento (Rm), tendo como menor valor a

região de coloração azul escuro, localizada no canto superior esquerdo.

Contudo, o valor mais satisfatório para o processo, considerando valor estático

de h=0,15mm e valores de Vc maiores, para obtenção de uma maior velocidade de

processo, é apresentado para a faixa de Rm entre 1300 e 1400um.

Quando é alterado o valor estático de h para 0,175mm, conforme Figura 5.50, a

faixa que apresenta menor valor de Rm pode ser obtida para valores de Vc entre

145 e 150mm/min, e Ve entre 0,0012 e 0,00125mm/s.

No diagrama de contorno apresentado na Figura 5.51, pode-se observar uma

tendência de redução de Rm para o ponto: Vc=150mm/min; Ve=0,0012mm/s; e

h=0,2mm; situação onde não foi possível construir filamentos, conforme apresentado

na Figura 5.45.

Desta forma, pode-se identificar um limite de processo para este ponto, sendo

necessário detalhar o mesmo tanto através de diagramas de contorno de Rm em

função Vc e h, assim como em função de Ve e h.


Figura 5.50 - Diagrama de contorno de Rm em função de Ve e Vc, considerando valor estático de h=0,175mm

Figura 5.51 - Diagrama de contorno de Rm em função de Ve e Vc, considerando valor estático de h=0,2m

No diagrama apresentado na Figura 5.52, pode-se observar uma redução da

largura do filamento em função do aumento de Vc e de h. Entretanto, deve-se

observar que este relacionamento é delimitado pelo fator de controle Continuidade,

visto que valores de Rm menores que 1000um, apresentado na região direita


superior, devem ser desconsiderados, em função da impossibilidade de construção

de filamentos nesta região.

Desta mesma forma, no diagrama apresentado na Figura 5.53, pode-se

observar uma ampla faixa do valor de Rm (1300 a 1350µm), sendo que este

contempla todos os valores de altura estudados.

Já na Figura 5.54, é possível observar uma tendência de aumento de Rm em

função de Vc, situação também observada no diagrama de efeitos principais,

conforme Figura 5.46.

Figura 5.52 - Diagrama de contorno de Rm em função de Vc e h, considerando valor estático de Ve=0,0012mm/s

Contudo, a Figura 5.55, onde o valor de Vc se mantém constante e com valor

120mm/min, indica uma tendência de aumento de Rm em função de Ve para todos

os valores de h.

Esta situação, apresentada na Figura 5.55, difere dos diagramas apresentados

na Figura 5.56 e Figura 5.57. Pois estes tendem a diminuir Rm em função do

aumento de h e redução de Ve, tendo como limite valores inferiores a 1000um,

região apresentada na Figura 5.57.




Através destes diagramas é possível identificar janelas de processo

relacionadas com a largura do filamento, assim dos outros fatores de resposta.


Figura 5.55 - Diagrama de contorno de Rm em função de Ve e h, considerando valor estático de Vc=120mm/min


Nestas janelas, pode-se identificar que o aumento ou redução da largura de

filamento não depende somente de um parâmetro, mas sim da interação entre os

fatores de controle estudados. Assim, é possível identificar resultados semelhantes

para diferentes valores de parâmetros de controle, gerando faixas de

processamento.



Análise Dimensional de Trajetória de Deposição

Outros aspectos analisados neste experimento foram os relacionados às

características dimensionais das trajetórias de deposição, conforme apresentado na

seção 4.2.2. Neste, foram observados os desvios dimensionais médios dos

experimentos do planejamento fatorial em regiões de mudança de direção, conforme

seção 4.2, chamando, assim, a média destes de característica dimensional (Cd),

conforme seção 4.2, fator de resposta deste estudo.

Os valores médios das medidas das amostras dos experimentos, assim como

os desvios e Característica dimensional (Cd), são apresentados na Tabela 5.6. Onde

foram realizadas 3 medidas para cada valor mensurado (M1, M2, M3 e M4).

Visto que estas medidas foram feitas com paquímetro de precisão 0,05mm, as

três medições obtiveram mesmo resultado, mostrando que o desvio das

amostragens foi absorvido pela margem de erro do paquímetro.

Os desvios apresentados nesta tabela são referentes à divergência

dimensional entre medidas esperadas e encontradas, sendo que o cálculo deste é

apresentado na seção 3.3. Sendo que estes desvios são apresentados graficamente

na Figura 5.58.


Tabela 5.6 - Tabela de valores médios dimensionais e de característica dimensional

Experimentos A B C D E F H G

Ve(mm/s) 0,0013 0,0013 0,0013 0,0013 0,0012 0,0012 0,0012 0,0012 h(mm) 0,15 0,2 0,15 0,2 0,15 0,2 0,15 0,2

Vc(mm/min) 120 120 150 150 120 120 150 150 Rm(um) 1142,08 1255,43 1717,86 1576,96 1479,91 1433,70 1287,17 - M1(mm) 5,5 6 5,5 5,5 5 6 5 -

desvio_1(mm) 2 2,5 2 2 1,5 2,5 1,5 - M2(mm) 68,5 69,7 69 69 68 69 68 -

desvio_2(mm) 1,5 0,3 1 1 2 1 2 - M3(mm) 18 18,5 18 19 18 18,6 17 -

desvio_3(mm) 0,5 1 0,5 1,5 0,5 1,1 -0,5 - M4(mm) 14,8 15,7 15,5 15,5 15 15,5 14,5 -

desvio_4(mm) 0,8 1,7 1,5 1,5 1 1,5 0,5 - Cd(mm) 1,2 1,375 1,25 1,5 1,25 1,525 0,875 -

Figura 5.58 - Representação gráfica de valores de fatores de resposta Cd(mm) em relação a fatores de controle Vc(mm/min), h(mm) e Ve(mm/s)

Esta situação evidencia a proposição de que o comportamento de deposição é

diferenciado em regiões de mudança de direção.

Outro aspecto também observado, através desta tabela, foi a divergência entre

valores de regiões de desaceleração, como o caso de curvas, onde foram realizadas

as medições.


Isto pode ser observado em função do desvio médio dimensional, representado

por Cd, ter valor diferente da largura do filamento (Rm).

O efeito principal de cada fator de controle sobre Cd é apresentada na Figura

5.59, onde se pode observar um maior efeito principal relacionado à altura de

filamento (h).

Figura 5.59 - Diagrama de efeitos principais dos fatores de controle Ve, Vc e h sobre característica dimensional da trajetória de deposição(Cd)

Na Figura 5.60 é apresentada a regressão de mínimos quadrados parciais do

efeito das interações dos fatores de controle sobre Cd, onde não foram encontradas

interações significantes para o processo, ou seja, a alteração dos valores dos fatores

de controle não apresentou impacto significativo sobre os parâmetros dimensionais

das amostras estudadas.

Contudo, ao observar o diagrama de Pareto de efeito das interações dos

fatores de controle sobre Cd, Figura 5.61, pode-se identificar que as interações que

surtem maior impacto sobre o processo são: a altura de deposição (h) e a interação

de Ve e Vc.


Figura 5.60 –Regressão de PLS dos efeitos das interações sobre Cd, considerando probabilidade de erro de 0,05

Ao observar o diagrama de contorno de Cd em função de Ve e Vc, apresentado

na Figura 5.62, pode-se identificar uma janela de processamento relacionado com a

divergência dimensional da trajetória de deposição, considerando um valor de h

igual a 0,15mm.

Figura 5.61 - Diagrama de Pareto de efeitos das interações entre fatores sobre Cd, considerando probabilidade de erro de 0,05.


Outros diagramas de contorno de Cd em função de Vc e Ve são apresentados

na Figura 5.63 e Figura 5.64, onde são considerados valores estáticos de h iguais a

0,175 e 0,2mm respectivamente.

Figura 5.62 - Diagrama de contorno de Cd em função de Ve e Vc, considerando valor estático de h=0,15mm


Adicionalmente, ao observar o diagrama de contorno de Cd em função de Ve e

h, apresentado na Figura 5.65, pode-se refinar esta faixa de processo relacionada

ao fator de resposta Cd, considerando um valor estático para Vc de 120mm/min.



Figura 5.65 - Diagrama de contorno de Cd em função de Ve e h, considerando valor estático de Vc=120mm/min

Neste diagrama foi possível determinar faixas de processo com desvio

dimensional médio inferior a 1,2mm, caso observado no experimento A, que teve Cd

igual a 1,2mm.




Ao deslocar o ponto estático para o valor de Vc igual a 135mm/min, Figura

5.66, e 150mm/min, Figura 5.67, obtém-se novas janelas de processamento, com

cuja faixa de desvio dimensional médio mínimo inferior a 2mm.


A partir da análise destes diagramas, foi possível identificar uma redução no

valor de Cd em função do aumento de Vc.

Em função da velocidade de deposição ser controlada por um sistema de

controle independente, foram feitos diagramas de contorno de Cd em função de Vc e

h, com cujos valores estáticos de Ve iguais a: 0,0012mm/s, conforme apresentado

na Figura 5.68; 0,00125mm/s, conforme apresentado na Figura 5.69; e 0,0013mm/s,

conforme apresentado na Figura 5.70.

Nestes diagramas foi possível identificar um comportamento de Cd

diferenciado para cada valor de Ve.

Isto pode ser observado quando o valor estático de Ve é igual a 0,0012mm/s

ou 0,00125mm/s, pois o valor do fator de resposta Cd tende a diminuir em função da

redução de h e aumento de Vc, conforme Figura 5.68 e Figura 5.69. Enquanto, ao

analisar o diagrama apresentado na Figura 5.70, onde o valor de Ve é 0,0013mm/s,

a tendência de redução do valor de Cd é obtido com a redução de Vc e h.

Figura 5.68 - Diagrama de contorno de Cd em função de Vc e h, considerando valor estático de Ve=0,0012mm/s




Através dos diagramas de contorno de Cd em função de Ve e h, Vc e Ve, e h,

foi possível evidenciar as conseqüências dos efeitos principais de h e Vc, que

apresentaram valores de efeito principal maiores que o de Ve. Assim como

identificar janelas de processo baseadas nos desvios dimensionais, representados

pelo fator de resposta Cd.


Qualidade de Filamento

Visto que a qualidade do filamento é uma característica qualitativa, foi

necessário criar uma escala relativa das amostras de cada experimento, como é

proposta na seção 4.2.2.

Para a definição desta escala, foi levada em consideração a variação da

largura de filamento, a homogenidade de superfície, quantidade e tamanho de bolas

de efeito “casca de laranja” e região intermediária de polimerização.

A partir desta escala, foi possível posicionar, através da análise das imagens

microscópicas dos filamentos, um tipo de filamento por nível de qualidade superficial

médio de cada filamento, conforme é apresentado na Tabela 5.7.

Tabela 5.7 - Escala relativa de qualidade de superfície de filamento Escala relativa de Qualidade superfície de filamento

1 2 3 3 4 5

Tipos de Filamento

As amostras dos experimentos do planejamento fatorial foram, conforme

apresentado na seção 4.2.2, classificadas conforme é apresentado na Tabela 5.8.

A partir destes dados foi possível determinar o grau de significância de cada

fator de controle, assim como cada interação entre fatores, sobre os fatores de

respostas, Continuidade e Qualidade.


Tabela 5.8 – Tabela de valores de resposta de fator de resposta Qualidade

Ve(mm/s) h(mm) Vc(mm/min) Experimentos Qualidade

0,0013 0,15 120 A 4

0,0013 0,2 120 B 1

0,0013 0,15 150 C 2

0,0013 0,2 150 D 3

0,0012 0,15 120 E 5

0,0012 0,2 120 F 3

0,0012 0,15 150 H 5

0,0012 0,2 150 G -

Os dados apresentados nesta tabela também podem ser observados na Figura

5.71.

Figura 5.71 - Representação gráfica dos resultados relacionados com o fator de resposta Qualidade

Na Figura 5.72, pode-se observar que os fatores de controle que tem maior

efeito sobre o fator resposta Qualidade são h e Ve, situação que difere das análises

anteriores.


Figura 5.72 - Diagrama de efeitos principais de fatores de controle Vc, h e Ve sobre fator de resposta Qualidade

Contudo, ao analisar a regressão de mínimos quadrados parciais (PLS),

apresentados na Figura 5.73, pode-se observar que as interações dos fatores de

controle sobre o fator de resposta, Qualidade, não se mostraram significantes.

Figura 5.73 - Regressão de mínimos quadrados parciais de efeitos interação entre fatores de controle sobre fator resposta Qualidade, considerando probabilidade de

erro de 0,05


Apesar destas interações não terem se mostrado significantes, através da

análise do diagrama de Pareto dos efeitos sobre Qualidade, apresentado na Figura

5.74, pode-se observar que as interações dos fatores de controle que geram maior

impacto sobre a qualidade superficial dos filamentos são Ve e a interação de efeitos

de h com Vc.

Figura 5.74 - Diagrama de Pareto de efeitos das interações entre fatores sobre Qualidade, considerando probabilidade de erro de 0,05.

Visto que uma das interações de maior impacto sobre a qualidade superficial

do filamento é Vc * h, foram inicialmente analisados os diagramas de contorno da

Qualidade em função de Vc e h, onde os valores estáticos de Ve são iguais a:

0,0012mm/s, Figura 5.75; 0,00125mm/s, Figura 5.76; e 0,0013mm/s, Figura 5.77.


Figura 5.75 - Diagrama de contorno de Qualidade em função de Vc e h, considerando valor estático de Ve=0,0012mm/s


No diagrama de contorno da Qualidade em função de Vc e h, cujo valor

estático igual a 0,0012mm/s, pode-se observar um nível mínimo de qualidade igual a

3. Contudo, as regiões de qualidade superiores a 5 devem ser desconsideradas,

visto que se aplicariam a interação de fatores de controle que não permite deposição

de material, conforme apresentado na Figura 5.71.



Ao analisar os diagramas de contorno de Qualidade em função de Vc e h,

pode-se observar a redução da qualidade em função do aumento de Ve.

Visto que o fator de controle Ve tem maior efeito sobre o fator de resposta

Qualidade, foram criados diagramas de contorno de Qualidade em função de Vc e

Ve. Sendo que para valor estático h=0,15mm, é apresentado na Figura 5.78; assim

como para valor estático h=0,175mm, na Figura 5.79; e para valor estático h=0,2mm,

na Figura 5.80.

No diagrama de contorno de Qualidade em função de Vc e Ve com cujo valor

estático h=0,15mm, pode-se observar uma região com nível de qualidade superior a

4.8 que abrange toda a faixa de valores de Vc apresentados neste diagrama. Esta

situação se mostra pertinente, visto que é possível obter uma boa qualidade

superficial para qualquer valor de Vc estudado.

Neste diagrama, pode-se observar que os valores de melhor qualidade se

referem aos menores valores de velocidade de extrusão (Ve).


Figura 5.78 - Diagrama de contorno de Qualidade em função de Vc e Ve, considerando valor estático de h=0,15mm

Entretanto, esta característica não se aplica quando se aumenta o valore

estático h, como nas situações apresentadas na Figura 5.79 e Figura 5.80.


Na situação apresentada na Figura 5.80, deve-se desconsiderar os valores de

qualidade superiores a 5.6, visto que esta região não permite deposição de material,

e por conseqüência, criação de filamentos. Contudo, pode-se evidenciar o aumento

da qualidade em função do aumento de Vc e da redução de Ve.


Pode-se observar, na Figura 5.79, uma ampla região de qualidade inferior a

3.2, que é atribuída a valores de Ve altos. Sendo necessário ignorar valores de

Qualidade superiores a 5.


Figura 5.81 - Diagrama de contorno de Qualidade em função de Ve e h, considerando valor estático de Vc=120mm/min

Outros diagramas de contorno analisados neste trabalho são relacionados à

qualidade em função de Ve e h, onde a Figura 5.81 e a Figura 5.82 apresentam uma


tendência de redução de qualidade em função do aumento de Ve e h, enquanto a

Figura 5.83 apresenta esta redução em função do aumento de Ve e redução de h.



Apesar do aparecimento de efeito “casca de laranja” como fator de resposta de

qualidade superficial não apresentar resposta neste trabalho, pode ser observada

como característica comum nestes diagramas, o nível de qualidade superior a 3

atribuído ao baixo valor de Ve.


Desta forma, é possível garantir ou aumentar a qualidade do filamento através

de faixas de processamento estipuladas nos diagramas de contorno descritas neste

capítulo.

Continuidade de Filamento

Outro fator de resposta estudado neste trabalho é a continuidade do filamento,

fator de caráter binário classificado pelas situações: contínuas (1) ou

descontínuas (0), conforme é apresentado na Tabela 5.9. Sendo que, na Figura

5.84, são demonstrados estes resultados de maneira gráfica.

Os valores de efeito principal dos fatores de controle Vc, h e Ve sobre o fator

de resposta Continuidade é apresentado na Figura 5.85, onde é possível observar o

grande impacto de todos os fatores de controle sobre este fator de resposta.

Este fator de resposta também é responsável pela eficácia do processo, visto

que se o processo de deposição de material tiver caráter descontínuo, não é

possível utilizá-lo em aplicações RP.

Tabela 5.9 - Tabela de valores de resposta de fator de resposta Continuidade

Ve(mm/s) h(mm) Vc(mm/min) Experimentos Continuidade

0,0013 0,15 120 A 1

0,0013 0,2 120 B 1

0,0013 0,15 150 C 1

0,0013 0,2 150 D 1

0,0012 0,15 120 E 1

0,0012 0,2 120 F 0

0,0012 0,15 150 H 1

0,0012 0,2 150 G Falhou

Adicionalmente, foi possível observar, através da regressão de mínimos

quadrados parciais das interações entre fatores de controle sobre a Continuidade,

apresentado na Figura 5.86, que a continuidade do filamento não é

significativamente afetada pelas interações dos fatores de controle.


Figura 5.84 - Representação gráfica de valores do fator de resposta Continuidade em relação a Ve, h e Ve

Figura 5.85 - Diagrama de Efeitos principais de fatores de controle sobre fator de resposta Continuidade

Todavia, através do diagrama de Pareto dos efeitos das interações dos fatores

de controle sobre a continuidade, pode-se identificar as interações entre fatores de

controle que geram maior impacto sobre a continuidade, sendo eles h, Ve e Ve * h.

Este resultado é ressaltado ao observar os diagramas de contorno em função

de Vc, sendo apresentadas respostas constantes ao longo de todos os valores de

Vc, como é apresentado na Figura 5.88.


Figura 5.86 – Regressão PLS de efeitos interação entre fatores de controle sobre fator resposta Continuidade, considerando probabilidade de erro de 0,05

Figura 5.87 - Diagrama de Pareto de efeitos das interações entre fatores sobre Continuidade, considerando probabilidade de erro de 0,05

Desta forma, pode-se observar o comportamento da continuidade do processo

de deposição em função de Ve e h, diagrama de contorno apresentado na Figura

5.89, desconsiderando valores estáticos, visto que para os demais valores

estáticos (Vc), são apresentados os mesmos valores de respostas Continuidade. Ou

seja, os resultados independem de Vc.

Neste diagrama, apresentado na Figura 5.89, é possível identificar um aumento

na descontinuidade do filamento a medida que o gráfico se desloca para o ponto

onde h = 0,2mm e Ve = 0,0012mm/s.


Figura 5.88 - Diagramas de contorno de Continuidade em função de (Vc;h) e (Vc;Ve)

Figura 5.89 - Diagrama de Contorno de continuidade em função de Ve e h, tendo Ve com valor estático Vc=120mm/min


Portanto, é possível garantir a continuidade do filamento em velocidades de

deposição maiores, quando são determinados os parâmetros de processo através

do diagrama apresentado na Figura 5.89, seguindo faixa de resposta superior a 0,7.

Análise geral de experimento

Em linhas gerais, pode-se observar as diversas janelas de processamento

baseadas em quatro características de processo, largura do filamento, característica

dimensional da trajetória de deposição, qualidade superficial do filamento e

continuidade do filamento. Contudo, para a caracterização do processo, foi

necessário observar todas estas em paralelo, como apresentado na Figura 5.90,

onde foram analisados os diagrama de contorno de Rm, Cd, Qualidade e

Continuidade, para valor estático h=0,15mm.

Vc(mm/min)

Ve

(mm

/s)

150140130120

0,001300

0,001275

0,001250

0,001225

0,001200

h(mm) 0,15Valor estático

> – – – – – < 1200

1200 13001300 14001400 15001500 16001600 1700

1700

Rm(um)

Vc(mm/min)

Ve

(mm

/s)

150140130120

0,001300

0,001275

0,001250

0,001225

0,001200


> – – – < 0,9

0,9 1,01,0 1,11,1 1,2

1,2

Cd(mm)

Vc(mm/min)

Ve

(mm

/s)

150140130120

0,001300

0,001275

0,001250

0,001225

0,001200


> – – – – < 2,4

2,4 3,03,0 3,63,6 4,24,2 4,8

4,8

Qualidade

Ve(mm/s)

h(m

m)

0,0013000,0012750,0012500,0012250,001200

0,195

0,180

0,165

0,150

Vc(mm/min) 120Valor estático

> – – – – < 0,1

0,1 0,30,3 0,50,5 0,70,7 0,9

0,9

continuidade

Diagrama de contorno de Rm em função de Vc e Ve Diagrama de contorno de Cd em função de Vc e Ve

Diagrama de contorno de Qualidade em função de Vc e Ve Diagrama de contorno de Continuidade em função de Ve e h

Figura 5.90 - Compilação de diagramas de contorno de Largura de filamento; Cd; Qualidade em função de Ve e Vc, e diagrama de contorno de continuidade em

função de h e Vc

Portanto, ao especificar, por exemplo, como desejáveis os valores de processo:

Largura de filamento(Rm) entre 1,2 e 1,3mm e Desvio dimensional médio (Cd)


inferior a 2mm; tendo filamento contínuo de qualidade superior a 3, na escala

comparativa criada nesta pesquisa, os valores de Ve e Vc, para uma altura de

deposição (h) igual a 0,15mm, necessários para atender esta especificação podem

ser, respectivamente, 0,00125mm/s e 120mm/min.

A faixa de processamento deste valor pode ser observada na Figura 5.91, visto

que para a altura de deposição (h) igual a 0,15mm, a continuidade do filamento pode

ser atendida em todos os valores limites estipulados neste estudo.

Vc(mm/min)

Ve(

mm

/s)

150145140135130125120

0,00130

0,00128

0,00126

0,00124

0,00122

0,00120


12001300

Rm(um)

1,21,3

Cd(mm)

35

Qualidade

Diagrama de contorno de Rm(um), Cd(mm) e Qualidade

Figura 5.91 - Diagrama de contorno de Rm, Cd, Qualidade

5.2.3 Interação entre filamento

Neste estudo, que visa identificar o interação entre filamentos depositados, as

trajetórias de deposição foram traçadas de forma a reduzir periodicamente a

distância entre filamentos, conforme seção 4.2.3. Desta forma, avaliando o

comportamento de um filamento em relação ao outro. Para esta análise, foram

utilizados os parâmetros de processo: Ve=0,00126mm/s; Vc=120mm/min; e


h=0,15mm; atendendo, desta forma, as especificações: desvio dimensional de

trajetória de deposição entre 1,2 e 1,3mm; largura de filamento entre 1,2 e 1,3mm; e

qualidade superficial de filamento entre 3 e 5mm, conforme visto na seção anterior.

As trajetórias de deposição foram traçadas de forma a reduzir periodicamente a

distância entre filamentos, conforme seção 4.2.3. Desta forma, avaliando o

comportamento de um filamento em relação ao outro.

A partir da definição largura de filamento entre 1,2 e 1,3 mm , pode-se simular

a deposição, obtendo as medidas de referência da estratégia de deposição,

apresentadas na Figura 5.92. O objetivo desta simulação foi de obter valores de

referência em relação aos das amostras do experimento.

Figura 5.92 – Representação de trajetória de deposição, considerando largura de filamento de 1,2mm, e medidas de referência

Além das características dimensionais da trajetória de deposição, foram

analisadas características como o -interação dos filamentos, começo e término de

deposição e comportamento de filamento em mudança de sentido.


Os valores encontrados neste experimento são apresentados na Tabela 5.10,

Onde pode ser observado um valor de Cd entre 1,46 1,17mm. Além do que o valor

encontrado divergiu do valor estimado para filamentos de 1,3mm em 0,16mm.

Tabela 5.10 – Tabela de valores de medições estimadas e de valores encontrados fisicamente nas amostras

Distância entre filamentos(mm)

Valor estimado para filamento de 1,2 (mm)

Valor estimado para filamento de

1,3 (mm) Valor

encontrado(mm) Cd 1,54 2,74 2,84 3 1,46 1,47 2,67 2,77 2,9 1,43 1,4 2,6 2,7 2,7 1,3

1,33 2,53 2,63 2,5 1,17

Os resultados obtidos neste experimento podem ser observados na Figura

5.93, onde podem ser analisadas algumas características relacionadas à ligação

entre os filamentos e ao comportamento do filamento em mudança de direção.

Figura 5.93 - Fotos de trajetórias de deposição de estudo de interação entre filamentos

Conforme é apresentado na Figura 5.94, Nas regiões iniciais de deposição

(inicio de trajetória) pode ser observada a deposição de uma quantidade de material

superior à encontrada quando o sistema está em regime. Também é possível

observar região seguinte (primeira mudança de direção) a deposição de uma


quantidade de material de uma inferior. Isto acontece em função do atraso do tempo

de resposta do sistema de deposição.

Contudo, nas demais regiões da trajetória de deposição, pode-se observar um

tipo de filamento contínuo e regular, enquadrado nos parâmetros inicialmente

estipulados conforme janela de processo.

Pode-se, também, observar uma região de falha gerada por manuseio indevido

das amostras. Um exemplo disto foi o toque nas amostra da Figura 5.94 ao longo do

processo, ou logo ao final do mesmo. Este toque pode ser causado por qualquer

agente externo, visto que equipamento protótipo está aberto ao ambiente e o

material não se encontra totalmente sólido (polimerizado).

Figura 5.94 – Representação de regiões de inicio de deposição, falha de deposição e de deposição em regime

Nas regiões com distância entre centros dos filamentos maiores que 1,54mm,

foi possível observar a independência total entre filamentos, considerando que não

houve contato entre os mesmos.

Nas regiões de menor distância entre centros dos filamentos, com cujas

distâncias 1,33mm e 1,4mm, lado superior da Figura 5.93 e Figura 5.94, pode-se

observar a fusão entre filamentos, formando uma região única de deposição, da

mesma forma que foram garantidas as características dimensionais estimadas.


Entretanto, a superfície destas regiões de deposição apresenta características

de sobreposição de material, ou seja, material sendo depositado sobre material

anteriormente depositado, formando “cristas” de deposição. Isto se deve em função

do filamento depositado no período anterior à mudança de sentido ter filamento com

valor de taxa de polimerização entre a 70 e 80%.

Desta forma, é possível identificar uma grande atração entre filamentos, apesar

do material destes terem taxas de polimerização altas, atraindo parte do material do

novo filamento depositado para cima do depositado previamente.

Contudo, nas regiões cuja distância entre centros dos filamentos tem valor

1,47mm, pode-se observar a fusão parcial de filamentos, visto que, a distância entre

bordas de filamento, considerando largura de filamento entre 1,2 e 1,3mm, varia

entre 0 e 0,2mm. Sendo que estas regiões também obtiveram dimensões conforme

estipulado neste estudo.

Desta forma, pode-se identificar as faixas de distância entre filamentos que

impactam em fusão entre filamentos, assim como comportamento de deposição

nestas. Sendo possível adicionar estas informações às janelas de processo obtidas

neste trabalho.

5.2.4 Viabilidade funcional

Visto que, através dos estudos apresentados neste trabalho, foi possível

identificar janelas de processo, assim como faixas de -interação de filamentos, foram

construídos corpos de prova com planejamento de trajetórias de deposição e

número de camadas depositadas distintas, com objetivo de provar a viabilidade

funcional da tecnologia de prototipagem rápida baseada em materiais

fotopoliméricos, conforme apresentado em seção 4.2.4.

Na Tabela 5.11, pode-se observar uma relação de características dimensionais

obtidas nos corpos de prova, assim como parâmetros de estratégia de deposição

destes corpos de prova.

No corpo de prova 1, apresentado na Figura 5.95, pode ser observada uma

deposição homogênea, na qual a borda de deposição, trajetória de contorno do


corpo de prova, manteve filamento constante, não escorrendo para fora do objeto.

Pode-se, também, observar um acumulo de material na região de troca de camada,

cuja altura com valor 0,75 mm, localizada na região central do corpo de prova.

Tabela 5.11 - Relação de corpos de prova, estratégias de deposição, número de camadas, e dimensões de corpos de prova

Corpo de Prova Corpo de prova

Tipo de deposição Numero de camadas 5 3 Altura de deposição 0,10 mm 0,10 mm Pl

anej

amen

to d

e pr

oces

so

Distância entre filamentos 1,47 mm 1,40 mm Altura de modelo 3D 0,50 mm 0,30 mm

Altura 0,5 mm 0,3 mm Comprimento 41,8 mm 41,8 mm 42

Largura externa 14,6 mm 14 mm 14

Cor

po d

e pr

ova

Largura interna 8 mm 8 mm 6

Visto que a distância entre filamentos utilizada neste corpo de prova foi de

1,47mm, parâmetro de processo que apresenta comportamento de interação entre

filamentos irregular, como visto na seção anterior, a superfície de preenchimento

deste corpo de prova apresentou superfície irregular.

Figura 5.95 – Foto de Corpo de prova 3

Já no corpo de prova 2, apresentado na Figura 5.96, pode ser observada uma

superfície de preenchimento homogênia, mantendo características dimensionais do

Acumulo de

material

irregularidade

superficie


corpo de prova. Contudo, foram apresentados problemas relacionados à retirada do

corpo de prova do substrato, visto que, foi quebrada uma região da peça no

momento da retirada do substrato.

Contudo, deve-se ressaltar que, não foi estudado o comportamento entre

camadas, variável que foi inclusa na construção destes corpos de prova, que tiveram

objetivo único de viabilizar funcionalmente esta tecnologia.

Figura 5.96 – Foto de Corpo de prova 4

5.2.5 Resumo de resultados do Estudo do Processo de RP

Na Tabela 5.12, são apresentados os resultados gerais dos estudos

relacionados ao processo RP.

Quebra


Tabela 5.12 – Tabela resumo de resultados do estudo do processo RP proposto



Interação entre Filamentos

Viabilidade Funcional

Metodologia Univariável DoE Univariável Teste funcional Ve (mm/s) 0,00075 0,00134 - 0,0012 0,00126 0,00126

Vc (mm/min) 40 - 90 120 - 150 120 120 h (mm) 0,15 0,15 - 0,2 0,15 0,15

Fato

res

de

cont

role

Distância entre filamentos (mm) - - 1,33-1,54 1,4 / 1,47

Largura de filamento (mm) 0,29-0,71 1,142-1,717 - -

Característica dimensional (mm) - 0,875-1,525 - -

Qualidade (escala comparativa de 0-5) -

Definição de janelas em função da qualidade

(detalhes no Capítulo 5) - -

Continuidade (escala de 0 -1) -

Definição de janelas em função da continuidade (detalhes no Capítulo 5)

- -

Faixa de união entre filamentos (mm) - - <1,4 -

Faixa independência entre filamentos (mm) - - >1,52 -

Faixa de interação entre filamentos indeterminada

(mm) - - <1,52 e >1,4 -

Res

ulta

dos

gera

is re

laci

onad

os a

os fa

tore

s de

resp

osta

Possibilidade de construção de corpo de - - sim para 2 corpos

de prova

5.3 Análise Comparativa

Nesta seção, tem-se como objetivo, comparar tecnologias comerciais já

consolidadas no mercado com a tecnologia desenvolvida no presente trabalho, visto

que, nas seções anteriores, foi possível observar indícios da viabilidade funcional

desta.

As características observadas nesta análise são: tempo de deposição,

precisão, qualidade de filamento e interação entre filamentos.

Em relação à qualidade de filamento, quando observamos filamento gerado

pela tecnologia 3DP, podemos observar uma superfície porosa, tendo sua

consistência baseada em adesividade entre partículas, como é observado na Figura

5.97, tornando, desta forma, o tipo de filamento gerado pela tecnologia proposta

neste trabalho viável para construção de peças.

Entretanto, a velocidade utilizada na janela de processo encontrada neste

trabalho se encontra abaixo da velocidade recomendada para tecnologia FDM.


Em relação ao estudo sobre o interação entre filamentos extrudados, a

tecnologia proposta apresenta união entre filamentos, que por sua vez, forma uma

camada homogênia. Em contraste com isto, o FDM gera filamentos bem definidos

que aderem entre si, como pode ser observado na Figura 5.98.

Figura 5.97 - Imagem de superfície de filamento gerado por tecnologia 3DP (ULBRICH, 2007)

Figura 5.98 - Imagem de deposição de filamentos gerados por FDM (MONTERO et al., 2001)

Em relação a precisão do processo, neste trabalho puderam ser encontrados

filamentos cuja largura se apresentava entre 0,350 e 0,550mm, faixa de largura de


filamento considerada adequada para aplicações de tecnologia FDM, que

apresentam valores de largura de filamento entre 0,254 de 2,54mm (NG et al.,

2002).

Estes valores também se apresentam dentro da faixa recomendada pelo

fabricande do equipamento FDM 1650, onde é recomenda faixa de largura de

filamento entre 0,254 e 1,47mm (COMB et al., 2003).

Por fim, pode-se observar, que em todas as áreas trabalhadas nesta pesquisa

foram obtidos resultados satisfatórios, salientando o potencial do desenvolvimento

de uma tecnologia de prototipagem rápida nacional.

Capítulo 6 CONCLUSÕES 161

6 CONCLUSÕES

Neste capítulo são apresentadas conclusões e considerações finais sobre o

trabalho, assim como uma relação de estudos futuros propostos.

6.1 Considerações finais

Em comparação com tecnologias comerciais, o principio de funcionamento do

processo proposto é diferenciado, pois, apesar deste apresentar um tipo de

deposição contínua, como a da Modelagem por Fusão e Deposição (FDM), este não

permite a geração de vazios na construção de peças, da mesma forma que na

estereolitografia (SL) e InkJet Print (IJP). Adicionalmente, este deve apresentar um

custo de fabricação e manutenção inferior ao da SL, por utilizar lâmpada UV ao

invés de laser, como na IJP.

Contudo, ainda há a necessidade de desenvolvimento de um sistema de

construção de suporte para fabricação de peças mais complexas, semelhante ao

que ocorre nas tecnologias mencionadas acima.

Apesar de terem sido utilizadas velocidades de deposição baixas, em relação

as das tecnologias comerciais, há indicativos que o mesmo é viável para fabricação

de peças grandes, em função da largura do filamento. Da mesma forma, a medida

que esta for estudada mais detalhadamente, as velocidades de deposição tendem a

aumentar. Um exemplo disto é a possibilidade de utilização de fontes luminosas com

comprimento de onda mais próximo do máximo de absorção dos fotoiniciadores.

Contudo, ao levar em consideração que este foi o primeiro trabalho nesta linha

de pesquisa, não foi possível identificar a viabilidade da tecnologia como um todo.

No entanto, em função deste trabalho ter focado bastante no desenvolvimento do

processo, foi possível comprovar o princípio funcional do mesmo.

Cabe também ressaltar que foram apresentadas algumas dificuldades

relacionadas ao processo, como o efeito “casca de laranja” no filamento, e a largura

de filamento variável no início e término de deposição. Estes problemas,


provavelmente, estão relacionados ao êmbolo da seringa, que, em função da

maleabilidade de seu material (borracha), causa um atraso no início e término de

deposição, assim como uma variação na velocidade de extrusão. Em face de que

ainda não foi possível controlar, de forma eficaz, a deposição de filamentos nestes

momentos, são necessários estodos mais aprofundados sobre o controle do

filamento no início e término de trajetórias, assim como em regiões de mudança de

direção. Apesar dos estudos relacionados à interação entre camadas se

apresentarem fora do escopo deste trabalho, estes também se fazem necessários

para a viabilização de tecnologia proposta.

Entre outros aspectos relevantes também observados ao longo deste trabalho

são necessários realizar

a viabilização desta tecnologia para construção de peças de maior precisão

passa pela necessidade de realização de estudos de processo utilizando, por

exemplo, diâmetros de bico extrusor menores, tipos diferenciados de deposição,

melhor controle do extrusor e outros tipos de extrusores. Em relação à velocidade de

fabricação, é necessário realizar estudos relacionados a área de materiais, com

objetivo de reduzir o tempo de polimerização. Algumas propostas de estudos

relacionados ao desenvolvimento e viabilidade da tecnologia proposta são

apresentados na seção 6.3.

6.2 Conclusões

Ao analisar o contexto da área de prototipagem rápida (RP), foi possível

observar a necessidade de desenvolvimento de tecnologias de RP nacionais. Visto

que este projeto tem caráter multidisciplinar, fez-se necessária a realização de

estudos relacionados às áreas de conhecimento fundamentais ligadas ao mesmo.

No estudo relacionado ao desenvolvimento de materiais, área de conhecimento

mais importante relacionada à RP, pode-se observar que, entre os cinco materiais

estudados neste trabalho, dois possuem taxa de conversão para utilização em

tecnologias RP, cumprindo os objetivos deste trabalho. Estes valores são

semelhantes ao de materiais já utilizados em RP.


Dentre os materiais desenvolvidos neste trabalho os que se apresentaram

adequados tem formulação: 4%, no peso, de Irgacure 651, 1ml de MMA e 1ml de

CN501 (Caracterização de Material – 5) e 4%, no peso, de Irgacure 184, 4%, no

peso, de Darocur BP, 0,5ml de MMA e 1ml de CN501 (Caracterização de Material –

6). Este último, que foi escolhido para os estudos de processo, apresentou uma taxa

de polimerização de 75% em 2 segundos.

Contudo, há muito que ser estudado em relação aos materiais utilizados em

RP, visto que o objetivo deste trabalho priorizava o desenvolvimento do processo.

Como foi desenvolvido e construído um equipamento protótipo adequado para

realização dos experimentos, adaptando parte mecânica de um CNC XYZ já

existente, pode-se realizar e provar a viabilidade do principio funcional – deposição

de filamentos com polimerização simultânea, alcançando o objetivo deste trabalho.

Em relação à caracterização do processo RP proposto, puderam ser

observadas características de processo relacionadas à largura de filamento,

trajetória de deposição, qualidade superficial de filamento e continuidade de

deposição. Criando, desta forma, janelas de processamento baseadas nos

parâmetros de controle, altura de deposição, velocidade de extrusão e velocidade de

deposição (deslocamento de cabeçote). Foi possível encontrar filamentos de largura

entre 0,35 e 2 mm.

Também foi possível identificar que a interação entre a velocidade de extrusão

e altura de deposição tem maior efeito sobre o fator de resposta qualidade do

filamento e a sua continuidade, enquanto a interação entre as velocidades de

deposição e extrusão tem maior efeito sobre a largura do filamento.

No que se refere à interação entre filamentos de largura na faixa de 1,2 e

1,3mm, foi possível observar que para distâncias entre filamento inferiores a

1,40mm, ocorre a fusão entre os mesmo. Da mesma forma, para distâncias

superiores a 1,47mm, não ocorre nenhuma fusão. Já para a faixa de distâncias entre

1,40 e 1,47mm, a ocorrência da fusão entre filamentos é imprevisível, podendo ou

não ocorrer.

No breve estudo relacionado à construção de corpos de prova, foram

encontradas dificuldades relacionadas ao planejamento de processo, como, por


exemplo, o planejamento de trajetórias de deposição, transição entre camadas,

transição entre ilhas de deposição, entre outros.

Como pode ser observado, todos os objetivos propostos neste trabalho foram

explorados em sua totalidade, cumprindo a proposta definida inicialmente.

Adicionalmente, outros aspectos relacionados ao tema que não tinham sido

contemplados na proposta inicial foram abordados.

Considerando que este trabalho é pioneiro na área de pesquisa, ainda existe a

necessidade de ser estudado o processo de forma mais detalhada, levando em

consideração, aspectos relacionados ao planejamento do processo, assim como à

estratégia de construção de peças, ao material de suporte e ao processo de pós-

fabricação. Contudo, foi possível identificar uma potencialidade do processo

proposto em relação aos processos RP atuais, assim como suas deficiências em

relação aos mesmos.

6.3 Estudos propostos

Ao longo do trabalho, foi possível identificar várias áreas e nichos de pesquisa

relacionados ao desenvolvimento desta tecnologia, como é apresentado abaixo:

• Caracterização e otimização de processo

o Estudo de interação entre camadas de deposição

o Estudo de transições de deposição

Início de deposição

Término de deposição

Mudança de direção

Transição entre camadas

o Estudo de interação entre filamentos de construção e suporte

o Otimização de parâmetros de controle

• Desenvolvimento e otimização de material

o Desenvolvimento de material de suporte


o Desenvolvimento de outros materiais de deposição

• Planejamento de processo

o Estudo de trajetórias de deposição

o Estudo de zonas de transição, como transição entre camadas

• Desenvolvimento e otimização de controle de processo

o Desenvolvimento de novos sistemas de deposição

o Otimização de cabeçote extrusor

o Otimização de equipamento CNC XYZ

o Otimização de interface de controle

o Otimização de fonte luminosa, para aumentar velocidade de

processo

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